KR20160133573A - 빌드업 용접을 위한 진보된 패스 진행 - Google Patents

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제랄드 제이. 브룩크
페트야 엠. 제오르지에바
브랜든 더블유. 쉰
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

제 1 용접 층(12a)을 형성하기 위해서 나란한 관계로 일련의 용접 패스들에서 기재(10) 상에 용접 재료(12)를 증착하는 단계를 포함하는 빌드업 용접 방법으로서, 제 1 용접 층(12a)을 형성하는 실질적으로 모든 용접 패스들은 제 1 패스 방향(d1)으로 증착된다. 후속하여, 일련의 용접 패스들이 제 2 용접 층(12b)을 형성하기 위해서 제 1 층 상에 나란한 관계로 증착되며, 제 2 용접 층(12b)을 형성하는 실질적으로 모든 용접 패스들이 제 1 패스 방향(d1)에 대향하는 제 2 패스 방향(d2)으로 증착된다. 각각의 층의 각각의 용접 패스는, 용접 패스에 평행하게 연장하는 단지 하나의 측방향 측면 상에 구속되는 위치에 증착될 수 있다.

Description

빌드업 용접을 위한 진보된 패스 진행 {ADVANCED PASS PROGRESSION FOR BUILD-UP WELDING}
본 발명은 구성요소들을 위한 빌드업(build-up) 용접 구조들의 형성, 보다 자세하게는, 터빈 엔진(turbine engine) 구성요소에 제공되는 빌드업 용접 구조를 형성하는 방법에 관한 것이다.
엔진(engine)의 터빈 섹션(turbine section) 내의 베인(vane)들 및 블레이드(blade)들과 같은 가스 터빈 엔진들(gas turbine engines)의 다양한 구성요소들은, 고온들에 노출되며, 그리고 회전 블레이드들(rotating blades)의 경우에는, 작동중 강력한 기계적 부하들을 받게 될 수 있다. 이에 따라, 니켈계 초합금들(nickel-based superalloys)이 이러한 구성요소들을 위해 바람직한 재료로서 사용될 수 있다. 이러한 초합금들로 형성된 터빈 블레이드들(turbine blades) 및 다른 구성요소들의 제조는 복잡하고 비용집약적이다. 따라서, 제조시 결함들을 보수하고 서비스(service)로부터 유래하는 손상을 보수하는 것과 같이 가능한 한 스크랩(scrap)을 적게 생산하려는 노력들이 존재한다. 예컨대, 부식, 외부 물체에 의한 손상(foreign object damage), 및 열기계적 피로 균열들은 구성요소 수명을 연장시키기 위해서 보수될 필요가 있다.
가스 터빈 구성요소들(gas turbine components), 그리고 특히, 작동 중인 블레이드들은 필요시 일상적으로 점검되고 교환된다. 구성요소들의 작동 수명을 연장하기 위해서, 가능하다면 언제나 이들 구성요소들은 재정비되며, 이후에 이들 구성요소는 가스 터빈에서 다시 한번 사용될 수 있다. 예컨대, 이러한 재정비는, 원래의 구성요소 피쳐(feature)들 및/또는 치수들을 복원하는데, 손상된 구역들에서의 빌드업 용접을 위해서는 불가피적으로 포함될 수 있다. 특히, 초합금 구성요소들을 위해서, 레이저 클래딩(laser cladding) 작업이 보수를 수행하는데 통상적으로 활용될 수 있다. 레이저 클래딩은 기재에 금속 증착물들을 적용하기 위해서 비교적 낮은 열 입력으로 실행될 수 있어 기저 초합금 구성요소의 재료 특징들을 바꾸는 것이 회피된다. 초합금 구성요소들은, 전형적으로 플라즈마 아크 용접(plasma arc welding) 또는 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding)과 같은 종래의 용접 프로세스들(welding processes)을 사용하여 발생할 수 있는, 고온 입력을 받게 되는 경우에, 재결정되기 쉬운 단결정 및 방향성 응고 구조를 포함한다.
현재, 용접 보수 프로세스(weld repair process)에서는 계속진행중인 도전들이 존재한다. 빌드업 용접이 형성됨에 따라 빌드업 용접의 품질에 다양한 인자들(용접 재료 내의 재결정화를 유발할 수 있는 인자들 및 용접 재료 내의 미세한 분리들 또는 균열들을 유발할 수 있는 인자들을 포함)이 영향을 미친다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 기재의 용접 표면 상에서 빌드업 용접 작업을 수행함으로써 기재를 형성하는 터빈 엔진 구성요소(turbine engine component)의 수리 또는 변경하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 용접 표면을 형성하는 기재를 제공하는 단계, 및 상기 용접 표면 상에 용접 재료를 적층하는 단계를 포함한다. 상기 용접 표면 상에 용접 재료를 적층하는 단계는, 제 1 용접 층을 형성하기 위해서 용접 표면 상에 나란한 관계로 일련의 용접 패스들(weld passes)을 적층하는 단계로서, 상기 제 1 용접 층을 형성하는 실질적으로 모든 용접 패스들이 제 1 패스 방향(a first pass direction)으로 적층되는, 용접 패스들을 적층하는 단계, 및 제 2 용접 층을 형성하기 위해서 제 1 용접 층 상에 나란한 관계로 일련의 용접 패스들을 적층하는 단계로서, 상기 제 2 용접 층을 형성하는 실질적으로 모든 용접 패스들이 제 1 패스 방향에 대향하는 제 2 패스 방향으로 적층되는, 용접 패스들을 적층하는 단계를 포함한다.
추가의 양태들에 따르면, 상기 제 2 용접 층의 용접 패스들은 일반적으로 제 1 용접 층의 용접 패스들에 평행할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 추가 용접 층들이 상기 제 2 용접 층 상에 형성될 수 있고, 각각의 연속 용접 층에는 직전 층의 용접 패스들의 방향에 대향하는 방향으로 적층된 실질적으로 모든 용접 패스들이 형성된다. 각각의 층의 각각의 용접 패스는, 용접 패스에 평행하게 연장하고, 용접 패스의 실질적으로 전체 길이를 따라 연장하는, 단지 하나의 측방향 측면 상에서 구속되는 위치(location)에 적층될 수 있다.
상기 기재는 용접 표면의 다른 부분들에 대해 평면 밖으로 연장하는 연장 표면을 포함할 수 있으며, 상기 연장 표면은 제 1 용접 층 및 제 2 용접 층에 의해 형성된 용접 빌드업의 방향에 평행하거나 일반적으로 용접 빌드업 방향을 향하여 각진 방향으로 연장하는 수직 성분(normal componenet)을 갖는다. 추가로, 각 층의 용접 패스들은 연장 표면과 용접 표면 사이 연결 지점(junction)에 일반적으로 평행하게 연장할 수 있으며, 각 층의 각 용접 패스는, 용접 패스에 평행하게 연장하는 단지 하나의 측방향 측면 상에 구속되는 위치에 적층될 수 있다. 각각의 용접 층을 위한 용접 패스들은 연장 표면으로부터 일 방향으로 순차적으로 연장하는 나란한 위치들로 적층될 수 있다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 기재의 용접 표면 상에서 빌드업 용접 작업을 수행함으로써 기재를 형성하는 터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 용접 표면을 형성하는 기재를 제공하는 단계, 및 용접 재료의 2 개 또는 그 초과의 층들을 적층하는 것을 포함하는, 상기 용접 표면 상에 용접 재료를 적층하는 단계를 포함하며; 각각의 층은 용접 재료의 하나 또는 그 초과의 패스들을 포함하고, 각각의 용접 층은 옆의 이전 용접 층의 용접 응고의 진행 방향에 대향하는 용접 응고의 진행 방향을 갖는다.
추가의 양태들은, 일반적으로 다른 층들의 각각의 하나 또는 그 초과의 패스들에 평행할 수 있는 상기 각 층의 하나 또는 그 초과의 패스들을 포함한다. 각각의 층의 각각의 용접 패스는, 용접 패스에 평행하게 연장하고, 용접 패스의 실질적으로 전체 길이를 따라 연장하는, 단지(no more than) 하나의 측방향 측면 상에서 구속되는 위치에 적층될 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에 따르면, 기재의 용접 표면 상에서 빌드업 용접 작업을 수행함으로써 기재를 형성하는 터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경하는 방법이 제공된다. 이 방법은 용접 표면을 형성하는 기재를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 기재는 용접 표면의 다른 부분들에 대해 평면 밖으로 연장하는 연장 표면을 포함한다. 용접 재료는 복수 개의 층들에 용접 재료를 적층하는 것을 포함하는, 용접 표면 상에 적층되고, 각각의 층은 나란한 관계로 일련의 용접 패스들을 포함한다. 게다가, 각각의 층의 용접 패스들은 일반적으로 연장 표면과 용접 표면 사이 연결 지점에 평행하게 연장하고, 각각의 층의 각각의 용접 패스는 용접 패스에 평행하게 연장하는 단지 하나의 측방향 측면 상에 구속되는 위치에 적층된다.
본 발명의 추가의 양태들은, 연장 표면으로부터 일 방향으로 순차적으로 연장하는 나란한 위치들로 적층될 수 있는 각각의 용접 층을 위한 용접 패스들을 포함한다. 각각의 용접 층은, 옆의 이전 용접 층의 용접 응고의 진행 방향에 대향하는 용접 응고의 진행 방향을 갖도록 증착될 수 있다. 각각의 용접 층의 용접 패스들은 일반적으로 다른 층들의 각각의 용접 패스들에 평행할 수 있다. 각각의 층을 위한 초기 용접 패스는 연장 표면을 따라 증착될 수 있다. 기재는 터빈 엔진용 구성요소 상에 위치되는 용접 표면을 포함할 수 있고, 구성요소는 초합금을 포함할 수 있다.
명세서가 본 발명을 특별히 가리키며 확실히 청구하고 있는 특허청구범위들을 결정하고 있지만, 이는, 본 발명이 동일한 도면 부호들이 동일한 요소들을 식별하는 첨부 도면들과 함께 하기 설명으로부터 보다 양호하게 이해될 것으로 여겨진다.
도 1은 본 발명의 양태들에 따른 층상(layered) 빌드업 용접 구조를 갖는 터빈 엔진 구성요소의 단면도이다.
도 2는 부분적으로 절취된(cut away) 그의 상부층을 갖는 빌드업 용접 구조의 2 층들을 포함하는 도 1의 터빈 엔진 구성요소의 일부분의 평면도이다.
도 3은 빌드업 용접 구조의 용접 층들 사이의 계면에서의 균열의 종단(termination)을 예시하는 도 1과 유사한 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 양태들에 따른 용접 패스 위치들의 시퀀스(sequence)를 예시하는 터빈 엔진 구성요소의 단면도이다.
도 5는 부분적으로 절취된 그의 상부층을 갖는 빌드업 용접 구조의 2 층들을 포함하는 도 4의 터빈 엔진 구성요소의 일부분의 평면도이다.
도 6은 2 개의 측방향 구속 측면(restraining side)들 사이에 형성된 수축 균열(shrinkage crack)을 예시하는 종래 기술의 프로세스에 따른 빌드업 용접 구조의 일 층의 확대 단면도이다.
바람직한 실시예의 하기 상세한 설명에서, 명세서의 일부를 형성하며, 제한하고자 하는 것이 아니라 예시로서, 본 발명이 실행될 수 있는 특정의 바람직한 실시예를 도시하는 첨부도면들이 참조된다. 다른 실시예들이 활용될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 변화들이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 다중 층 구조 용접에 의해 형성된 구성요소 구조들은 용접 프로세스 중 응력들 및 다결정 응고를 제한 또는 감소시켜 균열 형성 및 확대(propagation)를 감소시킴으로써 내구성이 개선되게 고취시킬 수 있음이 관찰되고 있다. 특히, 본 발명의 일 양태는 예컨대 초합금 기재 상에 형성된 빌드업 용접 구조에 의해 설명될 수 있으며, 여기서, 빌드업 용접 구조는 용접 구조에서 재결정화를 제한 또는 최소화하고 그리고/또는 균열들의 형성을 제한 또는 최소화하기 위한 순서 및 방향으로 제공되는 용접 패스들에 의해 형성된다.
예컨대, 초합금 구성요소들로의 용접 클래딩(welded cladding)의 제공을 포함하는 빌드업 용접 구조들을 제조하는 종래의 프로세스들이 빌드업 용접 구조를 형성하기 위한 용접 진행의 특정 순서에 대한 언급 없이 종종 실행된다. 특히, 빌드업 용접 프로세스 중 주위 구조에 대한 용접 패스들의 방향 및 용접 패스들의 배치는 일관된 고려사항으로 빈번하게 부여되지는 않는다. 본 발명의 양태들에 따르면, 빌드업 용접 구조의 구조는, 용접 패스들의 계획된 진행에 의한 균열 형성을 최소화하거나 감소시키도록 제어될 수 있으며, 용접 패스들의 영역에서 기재 구조에 대해 선택될 수 있다. 본 발명의 추가의 양태들에 따르면, 빌드업 용접 구조의 구조는, 인접한 층들의 용접 패스들의 방향에 대해 각각의 층의 용접 패스들을 위한 방향을 선택함으로써 용접 패스들에 의해 형성된 인접한 층들 간의 균열 전파를 최소화 또는 감소시키도록 제어될 수 있어서, 바람직한 성장 방향으로 입자 연장을 유지하고 다결정 응고 및 부수적인 균열의 개시(onset)를 최소화 또는 감소시킨다.
도 1을 참조하면, 빌드업 용접 구조(12)를 수용하기 위한 구성요소 또는 기재(10)가 예시되며, 바람직하게는 가스 터빈 엔진 베인 또는 블레이드를 위해 종종 사용되는 바와 같이 초합금을 포함할 수 있다. 예컨대, 기재(10)는 가스 터빈 엔진의 터빈 섹션을 통해 통과하는 고온 작업 가스들(high temperature working gases)을 겪게 되는 초합금 가스 터빈 베인 또는 블레이드를 묘사할 수 있다. 이러한 초합금은, 통상 주조 작업시 형성되며 터빈 섹션의 고온들을 견딜 수 있는 니켈계 초합금이다.
기재(10)는, 용접 구조(12)를 수용하기 위해 노출된 용접 표면(14)을 포함하고, 통상 용접 빌드업 구조(12)를 형성하는 클래딩(cladding) 또는 다른 대체(replacement) 재료의 수용을 위한 준비시 다른 기계적 및/또는 화학적 프로세스들(mechanical and/or chemical processes) 또는 그라인딩(grinding)에 의해 구성요소로부터 손상된 재료의 제거에 의해 형성되는 표면과 같은 준비되거나 컨디셔닝되는 표면(conditioned surface)을 포함할 수 있다. 대안으로, 빌드업 용접 구조(12)는 사용된 구성요소에 대한 보수(repair)로서 형성될 필요가 없으며, 새롭게 제조된 구성요소들을 위한 구조를 포함할 수 있다. 빌드업 용접 구조(12)는 도 1에서 4 개의 층(12a, 12b, 12c, 12d)들로 나타낸 용접 재료의 복수 개의 층들로 형성되며, 여기서, 용접 층(12a)은 용접 표면(14) 상에 직접 적층된 제 1 용접 층을 포함한다. 4 개의 용접 층들이 본원에 예시되어 있지만, 임의의 수의 복수 개의 층들이 제공될 수 있음이 이해될 수 있다.
본 발명의 설명된 제 1 양태에 따르면, 복수 개의 층(12a 내지 12d)들 각각은, 복수 개의 비드들(beads) 또는 용접 패스들에 의해 형성되며, 여기서, 각 층(12a 내지 12d)의 용접 패스들은 하기에 상세히 설명하는 바와 같이 균일한 용접 패스 방향으로 적층된다. 용접 패스들은 도 2에서 더 예시되며, 여기서 빌드업 용접 구조(12)중 2 개의 제 1 층(12a, 12b)이 도시되는데, 제 2 층(12b)은 부분적으로, 즉 라인(13)으로 절취되어 제 1 층(12a)의 일부분의 노출된 뷰(exposed view)를 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 층(12a)의 노출된 용접 패스들은 제 1 용접 패스(12an, ... 12an+4)들로서 식별되는 나란한(side-by-side) 일련의 용접 패스들을 포함한다. 유사하게, 제 2 층(12b)의 용접 패스들은 제 2 용접 패스(12bm, ... 12m+3)들로서 식별되는 나란한 일련의 용접 패스들을 포함한다. 제 1 층(12a)의 추가의 용접 패스들은 제 2 층(12b)의 용접 패스들을 위한 용접 표면 아래에 있으며 이 용접 표면을 형성하고, 예시된 용접 패스들보다 더 많거나 적은 용접 패스들이 서로에 제공될 수 있음이 이해될 수 있다.
제 2 층(12b)의 용접 패스(12bm, ... 12m+3)들은, 일반적으로, 제 1 층(12a)의 용접 패스(12an, ... 12an+4)들에 평행한 방향으로 제 1 층(12a) 상에 적층된다. 게다가, 제 2 층(12b)의 용접 패스(12bm, ... 12m+3)들, 및 각각의 후속 층의 용접 패스들은, 앞선 층들의 바람직한 기저(underlying) 입자 배향을 유지하기 위한 방식으로 적층된다. 이러한 양태에 따르면, 제 2 층(12b)의 용접 패스(12bm, ... 12m+3)들 각각은 제 2 용접 패스(12bm, ... 12m+3)들 각각의 용접 응고의 진행 방향이 기저 제 1 층(12a)을 형성하는 제 1 용접 패스(12an, ... 12an+4)들의 용접 응고의 진행 방향과 반대가 되도록 적층된다.
용접 응고의 진행 방향은, 앞선 층에 대향 방향으로 각각의 층의 용접 패스들을 적층함으로써 제어될 수 있다. 도 2를 참조하면, 제 1 층(12a)의 제 1 용접 패스(12an, ... 12an+4)들은 제 1 용접 패스 방향(d1)을 형성하는 균일한 방향으로 적층되는 것으로 예시된다. 제 2 층(12b)의 용접 패스(12bm, ... 12m+3)들은 제 1 용접 패스 방향(d1)과는 대향하는 제 2 용접 패스 방향(d2)을 형성하는 균일한 방향으로 제 1 층(12a) 상에 적층된다. 따라서, 제 1 용접 패스(12an, ... 12an+4)들은 제 1 층(12a)을 형성하고 제 1 방향(d1)으로 적층되는 용접 패스들 모두를 나타낼 수 있고 제 2 용접 패스(12bm, ... 12m+3)들은 제 2 층(12b)을 형성하고 제 2 방향(d2)으로 적층되는 용접 패스들 모두를 나타낼 수 있다. 각각의 후속 층의 용접 패스 방향은, 직전 층의 용접 패스 방향과 대향하는 용접 패스 방향으로 적층된다. 이는 도 1에서 볼 수 있으며, 여기서 제 1 및 제 3 용접 층(12a, 12c)들의 용접 패스들은 제 1 용접 방향(d1)으로 적층되고, 제 2 및 제 4 용접 층(12b, 12d)들의 용접 패스들은 제 2 용접 방향(d2)으로 적층된다.
본 발명의 양태들에 따르면, 빌드업 용접 구조의 일 층에서 용접 패스들의 "모두" 및/또는 "실질적으로 모두"에 대한 언급은, 본원에 설명된 바와 같이 인접한 층 위에 놓이거나 중첩되며 하나의 층으로부터 옆의 층까지 바람직한 성장 방향으로 입자 연장(grain extension)을 유지하기 위해서 인접한 층들에 대해 적층되는 일 층의 용접 패스들을 말하는 것으로 의도된다는 점이 이해되어야 한다.
각각의 용접 층은, 옆의 이전 용접층의 용접 응고의 진행 방향과 대향하는 용접 응고의 진행 방향을 갖도록 적층된다. 일 층으로부터 옆의 층까지의 응고의 진행 방향을 교번시킴으로써(alternating), 각각의 층에서 바람직한 성장 방향으로 입자 연장을 유지하며, 종래 기술의 비교번식 용접 진행에 따라 발생할 수 있는 다결정 응고 및 연관된 균열의 개시를 회피한다. 추가로, 층들의 교번식 용접 패스 방향은, 일 층으로부터 다음 층까지 균열 연장을 회피하며, 여기서 교번식 용접 프로세스 방향은 층(12b)에 위치되어 층(12b, 12c)들 사이 계면(18)에서 끝나는 균열(16)에 의해 도 3에 예시된 바와 같이 층들 사이 계면을 지난 균열들의 성장에 저항하는 입자 연장의 교번 방향을 제공한다. 게다가, 층(12a 내지 12d)들의 응고 방향을 교번시킴으로써, 빌드업 용접 구조(12)가 형성됨에 따라 적층되는 재료에서 빌드업할 수 있는 응력들을 제한 및 감소시킨다.
용접 구조(12)를 형성하는 현재 설명된 프로세스는, 기재(10)를 형성하는 1방향 응고(DS: directionally solidified) 초합금 주조에 적용될 수 있어 균열들의 전파에 대한 저항 및 개선된 강도를 갖는 주조의 구조를 연장한다. 이러한 양태에 따라, 용접 패스들의 적용 방향은, 인접한 용접 층들의 재료의 재결정화를 회피하도록 선택될 수 있다.
이러한 이점을 설명하는 메카니즘(mechanism)은, 용접 응고 중, 입자들은 고-액 계면(solid-liquid interface)에 수직하고 최대 온도 구배의 방향으로 성장한다는 사실과 관련된다. 기재(10)를 형성하는 원래의 DS 주조 프로세스에서, 이러한 온도 구배는 거의 단축성(uniaxial)이었으며, 블레이드의 베이스(base)로부터 팁(tip)까지 반경 방향으로 일반적으로 연장하는 바와 같이 대응하는 입자 방향성(directionality)이 유발되었다. 비교번성 용접 빌드업 층들을 위해서, 온도 구배는 단일의 용접 방향으로 반복적으로 허용되는 경향이 있다. 원래의 DS 주조 입자들의 바람직한 또는 용이한 성장 방향은, 용접 방향성으로 인해서, 약간의 축외 구배, 즉 블레이드의 반경 방향으로부터 축에서 벗어난 하나의 빌드업 층에 대해 연장할 수 있다. 그러나, 동일한 용접 방향을 갖는 반복된 층들은, 하나의 축외 방향으로 연속하는 축외 구배를 허용하는 배향의 새로운 입자 핵형성(grain nucleation)을 유발한다. 교번성 용접 빌드업 층들을 위해서, 온도 구배는 각각의 연속 층 사이에서 방향이 교번되며, 입자(17)들이 층들 사이에서 "지그 재그식(zig-zag)"일 수 있지만(도 3), 입자들은 "조종되며(steered)" 기재(10)의 원래의 기저 DS 주조 미세조직(microstructure)과 유사한 일반적인 방향으로 연장하며, 즉, 입자(17)들은 일반적으로 반경 방향으로 연장한다.
본 발명의 설명된 제 2 양태에 따르면, 각각의 층에서 용접 패스들은, 바람직하게는, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명되는 바와 같이 미리 정해진 진행 순서대로 적층되며, 여기서 도 1 및 도 2에서 설명된 요소들에 해당하는 요소들에는 100씩 증가시킨 동일한 도면 부호들이 라벨링된다.
도 4에서 보는 바와 같이, 복수 개의 층(112a 내지 112d)들은 용접 표면(114)을 형성하는 기재(110) 상에 빌드업 용접 구조(112)로서 적층된다. 기재(110)는 용접 표면(114)의 다른 부분들에 대해 평면 밖으로 연장하는 연장 표면(109)을 형성하는 연장 구조(108)를 포함할 수 있다. 예컨대, 연장 표면(109)은, 하기에 추가로 설명되는 바와 같이 용접 층(112a 내지 112d)들에 의해 형성된 용접 빌드업의 방향에 평행하게 또는 일반적으로 빌드업의 방향을 향하는 각도를 가질 수 있는 방향으로 연장하는 수직 성분을 가질 수 있다.
도 4에 묘사된 바와 같이, 각각의 용접 층(112a 내지 112d)은, 수축 응력들 및 연관된 균열을 최소화하기 위해서 미리 정해진 시퀀스로 나란한 관계로 적층된 일련의 비드들 또는 용접 패스들에 의해 형성된다. 특히, 본 발명의 일 양태는 측방향으로 극도로(highly) 구속되는 용접 패스 위치들, 예컨대 단일 용접 패스의 재료가 대향하는 측방향들, 즉 용접 패스의 방향에 일반적으로 수직한 대향 방향들에서의 수축을 수용하는데 요구되는 위치들을 회피하도록 하는 것이다. 도 6은 용접 패스(212)가 제 1 구역 및 제 2 구역과 같은 2 개의 구역들 사이에 적층되어 각각이 측방향 구속(restraint)을 형성하는 측방향 구속 상태를 예시하는데, 제 1 구역은 연장 표면(209)에 의해 형성되며 제 2 구역(230)은 종래 기술의 적층된 용접 패스에 의해 형성될 수 있고, 여기서 2 개의 영역들은 용접 패스(212)의 측방향 측면들을 따라 외측 방향으로 상당한 거리(substantial distance)를 연장하며, 외측 방향은 일반적으로 용접 패스 방향 및 측방향을 횡단한다. 용접 패스(212)의 냉각은, 화살표(232a, 232b)들에 의해 묘사되는 방향으로 발생하며, 결과로 발생하는 응고는 화살표(234a, 234b)들의 방향으로 발생한다. 수축 균열(236)은 용접 패스(212)의 중앙 부분을 향해 내측방으로 대향하는 측방향 구속 구역(209, 230)들로부터 일 방향으로 발생하는 응고의 결과로서 형성될 수 있어, 용접 패스(212)의 최종 재료가 연관된 수축을 갖는 대향하는 측방향 측면들로부터 응고함에 따라 용접의 중앙 위치에 캐비티(cavity) 또는 균열을 남긴다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 각각의 용접 패스에 대한 단지 하나의 측방향 구속을 제공하기 위해서 수축 균열의 형성이 용접 패스 시퀀싱(weld pass sequencing)의 의도적인 선택에 의해 회피 또는 제한될 수 있음이 인지되고 있다. 즉, 본 발명의 본 양태는, 용접 패스 시퀀싱의 고의적인 선택을 필요로 하며, 이러한 선택에서, 각각의 층의 각각의 용접 패스는 용접 패스에 평행하게 연장하며 용접 패스의 실질적으로 전체 길이를 따라 연장하는 단지 하나의 측방향 측면 상에 구속되는 위치에 적층된다. 용어 "측방향 구속"은 용접 비드 또는 패스에 인접하고 접촉하는 솔리드 구조(solid structure)를 포함하도록 본 명세서에서 사용되고, 이 솔리드 구조는 용접 패스를 위한 용접 표면으로부터 외측방으로, 즉 용접 빌드업 방향으로 연장하며 용접 패스 재료가 응고함에 따라 용접 패스의 측방향 측면에 용접 패스 재료의 상당한 부분을 구속하는 부착 위치을 형성할 수 있다. 이러한 측방향 구속들은, 예컨대, 용접 패스의 측방향 측면의 냉각 및 응고를 유발하는 히트 싱크(heat sink)로서 작용하는 구조에 의해 형성될 수 있다. 구속되는 측방향 측면은, 주위 대기 환경, 즉 가스(gas) 또는 공기에 개방될 수 있으며 구조가 냉각됨에 따라 구조에 부착물에 의해 구속되지 않는 용접 표면으로부터 외측방으로 연장하는 상당한 부분을 갖는 용접 패스의 비구속 측방향 측면에 대비될 수 있다.
도 5는 용접 프로세스의 초기 부분을 예시하며, 여기서, 제 1 및 제 2 용접 층(112a, 112b)들이 적층되어 있으며, 제 2 용접 층(112b)의 일부분, 즉, 라인(line; 115)이 절취되어 제 1 층(112a)의 일부분의 뷰를 노출한다. 용접 패스들은 용접 층(112a)에서 112a1, 112a2로 지정되고, 용접 층(112b)에서 112b3, 112b4로 지정되며, 일반적으로 서로 평행하게, 그리고 일반적으로 연장 표면(109)과 용접 표면(114) 사이에 형성된 조인트(joint; 122)에 평행하게 연장한다.
용접 패스들의 시퀀스가 도 4에 묘사되며, 도 4에 예시된 용접 패스들 각각 내에 위치된 숫자들의 시퀀스에 의해 식별된다. 특히, 제 1 용접 층(112a)은 용접 패스(1, 2)들을 포함하며, 여기서 패스들의 시퀀스는 연장 표면(109)의 측방향으로 구속된 위치로부터 기재(110)의 우측(120)에 인접한 개방측으로서 묘사된 비구속 위치까지 나아간다. 즉, 층(112a)의 용접 패스(1)는 연장 표면(109)에 의해 형성된 측방향으로 구속된 측면과 연장 표면(109)으로부터 대향하는 측방향으로 비구속된 측면 사이에 형성될 수 있으며, 층(112a)의 용접 패스(2)는 용접 패스(1)에 의해 형성된 측방향으로 구속된 측면과 우측(120)에서 용접 패스(1)로부터 대향하는 측방향으로 비구속된 측면 사이에 형성될 수 있다. 유사하게, 제 2 층(112b)의 용접 패스(3, 4)들, 제 3 층(112c)의 용접 패스(5, 6, 7)들 및 제 4 층(112d)의 용접 패스(8, 9, 10)들은, 연장 표면(109)으로부터 비구속된 위치를 향해 순차적으로(sequentially) 진행하는 위치들로 도시된다. 이에 따라, 예시된 예에서, 연장 표면(109)에 의해 또는 다른 용접 패스들에 의해 형성될 수 있는 측방향 구속과 같은 단지 하나의 측방향 구속이 용접 표면(114) 상에서의 빌드업 용접 구조(112)로서 복수 개의 층(112a 내지 112d)들의 각각이 순차적으로 적층되는 것을 허용하는 위치에 각각의 용접 패스가 적층되도록, 각각의 층(112a 내지 112d)을 위한 용접 패스들이 적층된다.
평면형 용접 표면을 갖는 구성요소 또는 기재(110)에 적용될 수 있는 바와 같이, 각각의 층(112a 내지 112d)을 형성하는 용접 패스들이 별개의 또는 분리된 일반적으로 선형 용접 패스들을 포함할 수 있으며, 여기서 특히 층(112a 내지 112d)을 위한 각각의 용접 패스가 기재의 동일 단부로부터 시작되어 기재의 대향 단부에서 종료될 수 있음이 이해될 수 있다. 이러한 기재는 도 4에 예시될 수 있는 바와 같이, 팁 캡(tip cap)을 갖는 블레이드 팁과 같은 블레이드 팁을 포함할 수 있으며, 이 팁 캡에서 빌드업 용접 구조가 스퀼러 팁(squealer tip)을 포함할 수 있다. 본 발명의 설명된 제 1 양태에 따르면, 용접 패스들은 각각의 후속 층을 위해 기재(110)의 교번 단부들에서 시작 및 종료될 수 있다.
대안으로, 구성요소 또는 기재(110)는 로터 디스크(rotor disk)와 같은 원통형 구조를 포함할 수 있고, 이러한 구조는 회전되는 반면, 연속의 나선형 용접부(spiral weld)가 각각의 층(112a 내지 112d)을 위해 형성되며, 기재의 각각의 회전은 용접 패스를 형성한다. 이와 관련하여, 본 발명의 설명된 제 1 양태는 각각의 후속 층(112a 내지 112d)을 형성하기 위해서 교번 방향들로 기재를 회전시킴으로써 구체화될 수 있으며, 각각의 층(112a 내지 112d)을 위한 연속 용접이 연장 표면(109)을 포함하는 기재(110)의 일 단부와 같은 원통형 기재(110)의 동일 단부에서 시작될 수 있다.
본 발명의 용접 프로세스는, 용접 재료에 열을 가하기 위해서 임의의 공지된 프로세스에 의해 구체화될 수 있으며, 이러한 프로세스는 예컨대 빌드업 용접 구조를 수용하는 기재의 재료에 관하여 선택될 수 있다. 예컨대, 본 발명을 구체화하기 위한 전형적인 용접 방법들은, 레이저 클래딩, 플라즈마 아크 용접, 가스 텅스텐 아크 용접, 전자 비임 용접(electron beam welding) 및 다른 유사한 프로세스들을 활용할 수 있다. 게다가, 예컨대, 빌드업 용접 구조들을 위해서 전형적으로 사용되는 용접 충전 재료(welding filler material)(분말, 와이어(wire) 또는 스트립(strip)과 같은 형태임) 및/또는 열을 가하기 위해서 전술된 용접 방법들과 전형적으로 연관된 용접 재료가 본 빌드업 용접 프로세스에서 구체화될 수 있음이 이해될 수 있다.
본원에서 설명되는 바와 같이, 본 발명의 상이한 양태들은, 빌드업 용접 구조의 강도 및 내구성의 연관된 개선들과 함께 빌드업 용접 구조의 균열 회피 및 응력 감소를 제공하도록 기능하는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 본 발명의 개별적으로 설명된 양태들은, 빌드업 용접 구조의 강도 및 내구성의 개선된 양태들을 제공하기 위해서 독립적으로 구체화될 수 있다.
본 발명의 특별한 실시예들이 예시 및 설명되고 있지만, 다양한 다른 변형예들 및 수정예들이 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 만들어질 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 첨부의 특허청구범위에서, 본 발명의 범주 내에 있는 이러한 모든 변형예들 및 수정예들을 포함하고 있는 것으로 의도된다.

Claims (16)

  1. 기재(substrate)의 용접 표면 상에서 빌드업(build-up) 용접 작업을 수행함으로써 기재를 형성하는 터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법으로서,
    용접 표면을 형성하는 기재를 제공하는 단계, 및
    상기 용접 표면 상에 용접 재료를 적층하는 단계를 포함하며,
    상기 용접 표면 상에 용접 재료를 적층하는 단계는,
    제 1 용접 층을 형성하기 위해서 용접 표면 상에 나란한 관계로 일련의 용접 패스(pass)들을 적층하는 단계로서, 상기 제 1 용접 층을 형성하는 실질적으로 모든 용접 패스들이 제 1 패스 방향으로 적층되는, 용접 패스들을 적층하는 단계, 및
    제 2 용접 층을 형성하기 위해서 제 1 용접 층 상에 나란한 관계로 일련의 용접 패스들을 적층하는 단계로서, 상기 제 2 용접 층을 형성하는 실질적으로 모든 용접 패스들이 제 1 패스 방향에 대향하는 제 2 패스 방향으로 적층되는, 용접 패스들을 적층하는 단계를 포함하는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 용접 층의 용접 패스들은 일반적으로 제 1 용접 층의 용접 패스들에 평행한,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 용접 층 상에 형성된 하나 또는 그 초과의 추가 용접 층들을 포함하며,
    각각의 연속 용접 층에는 직전 층의 용접 패스들의 방향에 대향하는 방향으로 적층된 실질적으로 모든 용접 패스들이 형성되는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 층의 각각의 용접 패스는, 용접 패스에 평행하게 연장하고 용접 패스의 실질적으로 전체 길이를 따라 연장하는, 단지 하나의 측방향 측면 상에서 구속되는 로케이션(location)에 적층되는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기재는 용접 표면의 다른 부분들에 대해 평면 밖으로 연장하는 연장 표면을 포함하며,
    상기 연장 표면은 제 1 용접 층 및 제 2 용접 층에 의해 형성된 용접 빌드업의 방향에 평행하거나 일반적으로 용접 빌드업 방향을 향하여 각진 방향으로 연장하는 구성요소를 가지며,
    각 층의 용접 패스들은 연장 표면과 용접 표면 사이 연결부(junction)에 일반적으로 평행하게 연장하며,
    각 층의 각 용접 패스는, 용접 패스에 평행하게 연장하는 단지 하나의 측방향 측면 상에 구속되는 로케이션에 적층되는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    각각의 용접 층을 위한 용접 패스들은 연장 표면으로부터 일 방향으로 순차적으로 연장하는 나란한 위치들로 적층되는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  7. 기재의 용접 표면 상에서 빌드업 용접 작업을 수행함으로써 기재를 형성하는 터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법으로서,
    용접 표면을 형성하는 기재를 제공하는 단계, 및
    용접 재료의 2 개 또는 그 초과의 층들을 적층하는 것을 포함하는, 상기 용접 표면 상에 용접 재료를 적층하는 단계를 포함하며,
    각각의 층은 용접 재료의 하나 또는 그 초과의 패스들을 포함하고,
    각각의 용접 층은 옆의 이전 용접 층의 용접 응고의 진행 방향에 대향하는 용접 응고의 진행 방향을 갖는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 각 층의 하나 또는 그 초과의 패스들은 일반적으로 다른 층들의 각각의 하나 또는 그 초과의 패스들에 평행한,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 각각의 층의 각각의 용접 패스는, 용접 패스에 평행하게 연장하고 용접 패스의 실질적으로 전체 길이를 따라 연장하는, 단지(no more than) 하나의 측방향 측면 상에서 구속되는 로케이션에 적층되는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  10. 기재의 용접 표면 상에서 빌드업 용접 작업을 수행함으로써 기재를 형성하는 터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법으로서,
    용접 표면을 형성하고 용접 표면의 다른 부분들에 대해 평면 밖으로 연장하는 연장 표면을 포함하는, 기재를 제공하는 단계,
    각각의 층이 나란한 관계로 일련의 용접 패스들을 포함하는 복수 개의 층들에 용접 재료를 적층하는 것을 갖는, 용접 표면 상에 용접 재료를 적층하는 단계를 포함하고,
    각각의 층의 용접 패스들은 일반적으로 연장 표면과 용접 표면 사이 연결부에 평행하게 연장하고,
    각각의 층의 각각의 용접 패스는 용접 패스에 평행하게 연장하는 단지 하나의 측방향 측면 상에 구속되는 로케이션에 적층되는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 각각의 용접 층을 위한 용접 패스들은 연장 표면으로부터 일 방향으로 순차적으로 연장하는 나란한 위치들로 적층되는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 각각의 용접 층은, 옆의 이전 용접 층의 용접 응고의 진행 방향에 대향하는 용접 응고의 진행 방향을 갖도록 증착되는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 각각의 용접 층의 용접 패스들은 일반적으로 다른 층들의 각각의 용접 패스들에 평행한,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 기재는 터빈 엔진용 구성요소 상에 위치되는 용접 표면을 포함하는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 구성요소는 초합금을 포함하고, 레이저 클래딩 프로세스(laser cladding process)가 용접 재료를 증착하기 위해 사용되는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    각각의 층을 위한 초기 용접 패스는 연장 표면을 따라 증착되는,
    터빈 엔진 구성요소의 수리 또는 변경 방법.
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