MXPA99012026A - Metodo de soldadura y aparato para el mismo - Google Patents

Abstract

Un aparato (10) y un método para soldar un artículo de superaleación. El aparato (10) generalmente tiene un recinto (12) adaptado para contener un articulo de superaleación, un aparato soldador de arco transferido por plasma de inversión de polaridad (20) para soldar una región localizada del artículo, una bobina de inducción (14) para calentar la región, localizada, y elementos para detectar (24) y controlar (26) la temperatura de la región localizada. La bobina de inducción (14) se coloca en estrecha proximidad a la región localizada del articulo, de tal manera que la temperatura de la región localizada es en gran parte determinada y rápidamente alterada por la salida de la bobina (14). El aparato de soldadura (20) se opera a Corrientes muy bajas no mayores de cuarenta y cinco amperes, de tal manera que el aparato de soldadura (20) tiene solamente un efecto de calentamiento secundario comparándose con la bobina de inducción (14).

Description

MÉTODO DE SOLDADU RA Y APARATO PARA EL MISMO CAMPO DE LA I NVENCIÓN Esta invención se refiere a métodos y aparatos de soldadura. De manera más particular, está invención se refiere a un aparato y método para soldar un artículo de superaleación utilizando una técnica de arco transferido por plasma de inversión de polaridad que minimiza el área del artículo que se calienta durante la soldadura. ANTECEDENTES DE LA I NVENCIÓN Las superaleaciones de base de níquel y cobalto de alta temperatura se utilizan ampliamente para formar ciertos componentes de motores de turbina de gas, incluye combustores y paletas y cuchillas de turbina. Aunque los componentes de superaleación de alta temperatura generalmente se forman mediante fundición , en algunas circunstancias se requiere o se prefiere que los componentes de la superaleación sean fabricados mediante soldadura. Por ejemplo, los componentes que tienen configuraciones complejas, tales como anillos de soporte de refuerzo y estructuras medias de turbinas, se pueden fabricar más rápidamente al soldar moldes separados para juntarlos. La soldadura también se utiliza am pliamente como un método para restaurar puntas de paletas y para reparar fracturas y otras discontinuidades de superficie en componentes de superaleaciones ocasionadas por ciclado térmico o impacto de un objeto extraño. Como el costo de los componentes formados de superaleaciones de base de cobalto y n íquel a alta tem peratura es relativam ente alto, restaurar/reparar estos componentes es comúnmente más deseable que reemplazarlos cuando se desgastan o descomponen. En el pasado, los componentes de superaleaciones de motores de turbina de gas se han soldado a una temperatura elevada (por ejemplo, más de aproximadamente 815°C) para mejorar los rendimientos de la soldadura. La soldadura generalmente se realiza en un alojamiento que contiene una atmósfera controlada(por ejemplo, un gas inerte) que utiliza técnicas de soldadura tales como gas inerte de Tungsteno (TIG) y procesos de soldadura láser. El calentamiento comúnmente se realiza mediante inducción o con el uso de lámparas, tales como lámparas de halógeno de cuarzo. Los componentes de superaleaciones de motores de turbina de gas pasan comúnmente por un proceso de alivio de tensiones térmico antes de la soldadura para relajar las tensiones residuales presentes por el servicio del motor, y después pasan por un proceso de alivio de tensiones después de la soldadura para relajar las tensiones residuales inducidas durante el enfriado de la operación de soldadura. El tratamiento de calor también proporciona alivio de tensiones mediante la disolución de una porción de gama prima de temple (y') en superaleaciones de base de níquel reforzadas con gama prima de temple. Generalmente, el tratamiento de calor y los parámetros de soldadura variarán dependiendo de la aleación de interés, la cantidad de alivio de tensiones residuales y la disolución requerida, el diseño del horno, la geometría del componente y muchos otros factores.

Las técnicas de soldadura por láser y gas inerte de Tungsteno arriba descritas han sido practicadas de manera satisfactoria con componentes de superaleaciones. Con estas técnicas, aunque se realiza un esfuerzo general para limitar el calentamiento al área que se va a soldar, comúnmente un área grande del componente se calienta. Como regla general, se deben evitar temperatura de soldadura excesivamente altas para evitar que el componentes se vuelva a cristalizar o se funda, mientras que el la temperatura de componente mínima debe ser suficientemente alta (por ejemplo, 815°C) para inhibir la fractura durante la soldadura. A tales temperaturas altas, los ciclos de calentamiento y enfriamiento pueden ser largos, y la comodidad del operador del aparato de soldadura puede ser una preocupación. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención generalmente proporciona un aparato y método para soldar un artículo de superaleación. De manera más particular, el aparato y método de esta invención proporcionan un control preciso de la temperatura de una región muy localizada de un artículo de manera que se puede mantener una temperatura óptima en la región localizada durante la soldadura para producir una soldadura pequeña y controlada y promover las propiedades físicas y mecánicas deseadas del artículo. El aparato de esta invención generalmente incluye un alojamiento adaptado para contener un artículo de superaleación, medios para soldar una región localizada del artículo, medios para calentar la región localizada, medios para detectar la temperatura de la región localizada, y medios para controlar la salida de los medios de calentamiento con base en la temperatura de la región localizada y de conformidad con un perfil de temperatura de soldadura preestablecido. De conformidad con la invención, el medio de calentamiento es una bobina de inducción colocada en proximidad cercana a la región localizada del artículo, y el medio detector detecta la temperatura de la región localizada de manera que la temperatura de la región localizada se determina en gran parte y se altera por la salida de la bobina. También de conformidad con la invención, el medio de soldadura es un aparato de soldadura de arco transferido por plasma de inversión de polaridad (PTA) que se opera a corrientes muy bajas de no más de cuarenta y cinco amperios, preferiblemente no más de cinco amperios, de manera que el aparato de soldadura tiene sólo un efecto de calentamiento secundario comparado con la bobina de inducción. El aparato también emplea un dispositivo de almacenamiento de memoria que almacena el perfil de temperatura de soldadura apropiado para la región localizada del artículo. El método utilizado por el aparato arriba descrito, generalmente incluye establecer previamente el perfil de temperatura de soldadura apropiado para el artículo de superaleación, y después operarla bobina de inducción y los medios de detección y control para calentar la región localizada del artículo de conformidad con el perfil de temperatura de soldadura. Entonces, se suelda la región localizada del artículo mediante soldadura de arco transferido por plasma de inversión de polaridad a una corriente baja mientras se mantiene la temperatura de la región localizada de conformidad con el perfil de temperatura de soldadura. Como se describió previamente, el aparato y método de esta invención acoplan calentamiento de inducción con un proceso de soldadura de arco transferido por plasma de inversión de polaridad de bajo calor para permitir el control preciso de la temperatura de una región extremadamente localizada de un artículo de superaleación durante la fabricación, restauración o reparación. Como resultado, la temperatura de la región localizada se puede mantener de manera más precisa en un rango de temperatura limitada durante la operación de soldadura que evita daño térmico al artículo. Las ventajas adicionales de esta invención incluyen un tiempo reducido de soldadura, menor entrada de calor que reduce la fractura de la soldadura y del sustrato, uso de energía bajo, y la capacidad de producir un acumulamiento de soldadura de forma casi neta requiriendo poco o ningún perfilado de soldadura subsecuente.

Otros objetos y ventajas de esta invención se apreciarán mejor a partir de la siguiente descripción detallada. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una representación esquemática de un aparato de soldadura de conformidad con esta invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere generalmente a artículos de superaleación que pasan por una operación de soldadura durante su fabricación, restauración o reparación . Aunque las ventajas de esta invención se describen con referencia a los componentes de motores de turbina de gas, la invención también es aplicable a una variedad de aplicaciones en las cuales la temperatura de un artículo se debe mantener de manera precisa durante la soldadura. Un aparato 10 para realizar una operación de soldadura de conformidad con esta invención se muestra de manera esquemática en la Figura 1 . El aparato 10 incluye un alojamiento 12 generalmente de un tipo conocido para realizar una operación de soldadura tal como soldadura láser o por gas inerte de Tungsteno en una atmósfera controlada . Representada esquemáticamente en el aparato 10 se muestra una bobina de inducción 14 para calentar un artícu lo de superaleación (no mostrado) . La bobina 14 preferiblemente tiene un tamaño y forma para rodear cercanamente una región muy localizada del artículo de manera que ocurre un calentamiento uniforme y rápido de la región localizada. El alojamiento 12 se muestra incluyendo una entrada 18 a través de la cual se alimenta un gas inerte tal como argón al interior del alojamiento 12 para evitar la oxidación del artículo de superaleación mientras está a las elevadas temperaturas de procesamiento requeridas por la operación de soldadura. En el pasado, las operaciones de soldadura realizadas en un alojamiento del tipo mostrado en la Figura 1 incluyen calentar un artículo a una temperatura elevada, comúnmente de más de 815°C pero menor que la temperatura de recristalización del artículo, mientras se supervisa la temperatura total del artículo. El valor de la temperatura generalmente dependía del tipo de elemento de calentamiento utilizado y del tamaño del alojamiento y artículo que se esté calentando. Una vez que se lograba la temperatura de soldadura, se iniciaba la soldadura por láser o por gas inerte de Tungsteno, y ocurría cualquier calentamiento adicional si se presentaba una caída de temperatura suficiente. En contraste, el aparato de soldadura 10 de esta invención permite el control preciso del perfil de temperatura de una región extremadamente localizada de un artículo que pasa por una operación de soldadura en el alojamiento 12, y por lo tanto ofrece la oportunidad de realizar una operación de soldadura más rápida mientras se mejora el control de temperatura del artículo. Estas ventajas se logran en parte al detectar la temperatura de la región localizada del artículo con un sensor de temperatura adecuada 24, tal como un pirómetro óptico o un termocople estándar tipo K. La señal de temperatura del sensor 24 se usa como una entrada a un controlador de temperatura programable 26, que compara la señal del sensor 24 al perfil de temperatura de soldadura deseado almacenado en la memoria 28 para el artículo. Entonces, se regula la energía a la bobina de inducción 14 con base en la diferencia entre el perfil de temperatura deseado y la temperatura actual de la región localizada. De esta manera, esencialmente cualquier perfil de temperatura de soldadura requerido para una superaleación y artículo dados se puede programar y controlar adecuadamente para lograr los objetos de esta invención . De conformidad con esta invención, la soldadura se lleva a cabo con un soldador de arco transferido por plasma de inversión de polaridad (PTA) 20 operado a corrientes muy bajas, preferiblemente por lo menos 0.1 amperios pero no más de cuarenta y cinco amperios, y preferiblemente a menos de cinco amperios. A estos niveles de corriente bajos, ocurre muy poco calentamiento del artícu lo como resultado de la operación de soldadura misma. En lugar de eso, la temperatura de la región localizada del artículo se determina principalmente por la bobina de inducción 14, cuya salida está controlada de manera precisa como se describió anteriormente, la soldadura de arco transferido por plasma de inversión de polaridad se describe en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica N úmero de Serie 5,466,905 de Flowers y coinventores, que está cedida al cesionario de esta invención e incorporada en la presente por referencia. Como enseñan Flowers y coinventores, la soldadura de arco transferido por plasma de inversión de polaridad incluye generar un arco eléctrico con una corriente eléctrica directa entre un par de electrodos, transferir el arco eléctrico con un gas de plasma inerte (por ejemplo, argón) al artículo de manera que se establece el arco de plasma entre el artículo y uno de los electrodos, y después invertir las polaridades del artículo y el electrodo a una frecuencia baja . En la práctica, los parámetros de ciclo de polaridad descritos por Flowers y co inventores, son preferidos para su uso con esta invención - generalmente, la inversión de polaridad a una frecuencia de aproximadamente 1 a 1000 Horizontal , durante la cual la polaridad del artículo durante cada ciclo es positiva por un periodo de tiempo más corto que lo que es negativa. Entonces se alimenta un material de relleno en el arco de plasma mediante cualquier medio adecuado 22. El material de relleno puede estar en la forma de un polvo o alambre de superaleación cuya composición sea metalúrgicamente compatible con la del artículo y apropiada para el ambiente de operación del artículo. Aunque se describió en términos de procesamiento de artículos de superaleación, el aparato 10 de esta invención también se podría emplear para el tratamiento y soldadura de otros materiales y artícu los cuyos procesamientos requieran el control preciso a temperaturas elevadas para evitar la degradación de las propiedades del artículo. Por lo tanto, aunque la invención se ha descrito en términos de una modalidad preferida, es evidente que los expertos en la técnica podrían adoptar otras formas. Por consiguiente, el alcance de la invención está limitado únicamente por las siguientes reivindicaciones.

Claims (12)

1. REIVI N DICACIONES 1 . Un método de soldar un artículo de superaleación, el método comprende los pasos de: establecer un perfil de temperatura de soldadura para un artículo de superaleación ; colocar el artículo de superaleación en un alojamiento (12) de manera que una región localizada del artículo esté adyacente a una bobina de inducción (14) en el alojamiento (12), el alojamiento (12) adicionalmente tiene medios(24) para detectar una temperatura de la región localizada y medios (26) para controlar la salida de calor de la bobina de inducción (14) con base en la temperatura de la región localizada y de conformidad con el perfil de temperatura de soldadura; operar la bobina de inducción (14), el medio de detección (24) y el medio de control (26) para calentar la región localizada del artículo de conformidad con el perfil de temperatura de soldadura; y después soldar la región localizada del artículo mediante soldadura de arco transferido por plasma de inversión de polaridad a una corriente de 0.1 a aproximadamente 45 amperios mientras se mantiene la temperatura de la región localizada de conformidad con el perfil de temperatura de soldadura.
2. 2. U n método de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el paso de soldar incluye establecer el artículo a una primer polaridad y establecer un electrodo adyacente al artículo a una polaridad opuesta , y después invertir repetidamente las polaridades del artículo y el electrodo.
3. 3. U n método de conformidad con la reivindicación 2 , en donde el paso de soldar incluye proporcionar un material de relleno a un arco de plasma generado entre el electrodo y el artículo.
4. 4. Un método de conformidad con la reivindicación 3, en donde el material de relleno es un material seleccionado del grupo que consiste en alambres y polvos de superaleaciones.
5. 5. Un método de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la temperatura de la región localizada del artículo se detecta con un pirómetro óptico (24) .
6. 6. U n método de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el paso de soldadura se realiza con una corriente de 0.1 a 5 amperios.
7. 7. U n aparato de soldadura que comprende: un alojamiento (12) adaptado para contener un artículo de superaleación ; una bobina de inducción (14) para calentar una región localizada del artículo en el alojamiento (12); medios (24) para detectar una temperatura de la región localizada del artículo; medios de memoria (28) para almacenar un perfil de tem peratura de soldad ura del artículo; medios (26) para controlar la bobina de inducción (14) con base en la temperatura de la región localizada de conformidad con al perfil de temperatura de soldadura; y medios (20) para soldar la región localizada mediante soldadura de arco transferido por plasma de inversión de polaridad a una corriente de 0.1 a aproximadamente 5 amperios mientras se mantiene la temperatura de la región localizada de conformidad con el perfil de temperatura de soldadura.
8. 8. Un aparato de soldadura de conformidad con la reivindicación 7, en donde el medio de soldadura (20) comprende medios para establecer el artículo a una primera polaridad y establecer un electrodo adyacente al artículo a una polaridad opuesta, y medios para invertir repetidamente las polaridades del artículo y el electrodo.
9. 9. Un aparato de soldadura de conformidad con la reivindicación 8, en donde el medio de soldadura (20) comprende medios para proporcionar un material de relleno a un arco de plasma generado entre el electrodo y el artículo.
10. 10. Un aparato de soldadura de conformidad con la reivindicación 9, en donde el material de relleno es un material seleccionado de un grupo que consiste de alambres y polvos de superaleaciones.
11. 11. Un aparato de soldadura de conformidad con la reivindicación 7, en donde el medio sensor (24) es un pirómetro óptico.
12. 12. Un aparato de soldadura de conformidad con la reivindicación 7, en donde el medio de soldadura (20) opera a una corriente de 0.1 a aproximadamente 5 amperios. RESU M EN U n aparato (10) y un método para soldar un artículo de superaleación. El aparato (1 0) generalmente tiene un alojamiento (12) adaptado para contener un artículo de superaleación , un aparato soldador de arco transferido por plasma de inversión de polaridad (20) para soldar una región localizada del artículo, una bobina de inducción (14) para calentar la región localizada, y medios para detectar (24) y controlar (26) la temperatura de la región localizada. La bobina de inducción (14) se coloca en estrecha proximidad a la región localizada del artículo, de tal manera que la temperatura de la región localizada es en gran parte determinada y rápidamente alterada por la salida de la bobina (14). El aparato de soldadura (20) se opera a corrientes muy bajas no mayores de cuarenta y cinco amperios, de tal manera que el aparato de soldadura (20) tiene solamente un efecto de calentamiento secundario comparado con la bobina de inducción (14).