SE526045C2 - Svetsreparationsmetod - Google Patents

Description

20 25 35 är svära att använda vid rumstemperatur. Resultatet är att legeringar som är mer plastiska än moderlegeringen används ofta för att reparera superlegeringskomponenter. En svàrig~ het man möter vid användande av en plastisk filler för att reparera en superlegeringskomponent är att förhållandet mellan filler och modermetall är svàrt att kontrollera i manuella processer sàsom TIG. I TIG-svetsar av superleger- ingar och andra svàrsvetsade legeringar uppstàr det ofta sprickor i svetsens bottensträng beroende pà för stor smältning av modermaterialet in i den smälta pölen av fil- lermaterial.

Mot ovanstående bakgrund skulle det vara önskvärt om det funnes en metod för att reparera högtemperaturmetalleger- ingar, genom vilken för stor smältning av modermaterialet och blandning med fillermaterialet kunde minimeras.

KORT SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Enligt uppfinningen àstadkommes en metod för reparation av en metallegeringskomponent, tex en superlegeringskomponent i en gasturbinmotor, samt den resulterande reparerade kom- ponenten. Metoden utnyttjar en fillerinsats vars storlek och form är förvalda, sà att svetsoperationen kan utföras för att fullständigt smälta insatsen medan smältning av den omgivande metallegeringskomponenten minimeras. Dà sker minimal blandning mellan insatsen och komponenten, varige- nom risken reduceras för sprickbildning efter svetsnings- operationen.

Svetsreparationsmetoden enligt denna uppfinning innefattar allmänt att en evaluering utförs, genom vilken utvecklingen av en svetssmältpöl i tiden i en yta av en kropp, tex en fillermetallegering, bestäms för att korrelera smältpölens bredd, djup och form i tiden för en uppsättning svetspara- metrar. En komponent som är gjord av en metallegering (som kan vara densamma som eller annan än den evaluerade krop- pen) och har en defekt i sin yta maskinbearbetas sedan för att avlägsna defekten och bilda en hålighet i ytan, som har W 15 20 25 30 35 nu: on väsentligen samma bredd, djup och form som en smältpöls bredd, djup och form, som stàr i relation till en tidsperi- od under evalueringen. Fillerinsatsen, som har approxima- tivt sama bredd, djup och form som hàligheten, placeras sedan i hàligheten, sà att fillerinsatsens yttre yta befin- ner sig intill hàlighetens yta. Slutligen uppvärms filler- insatsen med användning av väsentligen samma uppsättning svetsparametrar och under samma tid som korrelerades under evalueringen och som tjänstgjorde som grundval för dimen- sionering av bàde hàligheten och insatsen. Resultatet blir att fillerinsatsen smälts för att bilda en metallurgiskt bunden svetsreparation, som fyller hàligheten.

Enligt en föredragen aspekt pà uppfinningen används evalue- ringen för att bestämma eller uppskatta hastigheten med vilken en smältfront fortplantas genom fillermetallegering- en, eller àtminstone smältfrontens läge vid olika tidpunk- ter, för en given uppsättning svetsbetingelser och paramet- rar, och denna information används vid upphettningen av fillerinsatsen sà att smältfronten, som fortplantas genom insatsen mot dess yttre yta, anländer samtidigt till hela den yttre ytan pà fillerinsatsen. Upphettningen kan sedan fortsätta för att smälta en begränsad del av komponenten nedanför hàlighetens yta, så att den smälta delen har en väsentligen likformig tjocklek, som avsiktligt begränsas för att minimera blandning av materialen i insatsen och komponenten. Resultatet är att en metallegering som är relativt svår att svetsa, tex en superlegering, kan repare- ras med en insats, vilken är gjord av en legering som är mer plastisk och/eller har lägre smältpunkt, likväl med reducerad risk för sprickbildning under svetsoperationen som ett resultat av den reducerade mängden av blandning i SVQÉSEH.

Av det ovanstående inser man att olika svetstekniker kan användas av metoden enligt denna uppfinning, tex manuell bàgsvetsníng eller elektronstràlesvetsning, varvid samma teknik används under bàde evalueringen och svetsoperatio- 5 m 15 zo 25 :"..

.I. 30 : : : .Ö.: 'II _22: .ÛÛÛ :...: ss nen, sà att svetsparametrarna kan användas för at- snävt kontrollera mängden smältning som uppstàr under svetsrepa- rationsmomentet. Vidare kan evalueringen av en metalleger- ing utföras sà att flera svetspölsbredder, -djup och -former är korrelerade med flera tidsperioder för en eller flera uppsättningar svetsparametrar. Flera fillerinsatser kan sedan formas så att de approximativt har bredderna, djupen och formerna som identifierades under evalueringen, vilket medger att en särskild fillerinsats kan väljas pà grundval av storleken hos defekten, som skall repareras. I sig är reparationsmetoden enligt denna uppfinning mycket lämpad för att fylla sprickor, porositet, bräckor och andra ythàligheter eller skador, som kan finnas i en metalleger- ingskomponent, och fillerns sammansättning kan skräddarsys för att vara ett komplement till sammansättningen hos den reparerade komponenten för att man skall àstadkoma en stark, sprickfri svetsreparation.

Andra syften och fördelar med denna uppfinning förstår man bättre genom nedanstående detaljerade beskrivning.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNÄ Fig 1 visar ett steg som utförs under en evaluering, me- delst vilken utvecklingen av en svetssmältpöl bestäms över tiden enligt denna uppfinning; Fig 2 visar en punktdefekt i en komponents yta; Fig 3, 4 och 5 visar steg som utförs för att reparera de- fekten i fig 2 genom att ytmaterial avlägsnas i och kring defekten för att bilda en hålighet med bestämd storlek, en motsvarande dimensionerad fillerinsats placeras i hàligheten, och sedan utförs en svetsope- ration, som är kontrollerad för att smälta insatsen och en begränsad del av komponenten omedelbart intill insatsen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Fig 1 till 5 visar en serie steg, vilka utförs för att reparera en komponent 10 som har en ytdefekt 12 sàsom visas 0000 0 O 0 O 00 00 00 0 0 0 0 0 0 I O 0 0 0 n 0 0 0 000 0000 0 o 0 0 0 0 0 0 00 00 00 00 00 70 75 20 25 30 35 o u Q . . n u o o nu i fig 2. Komponenten 10 kan vara gjord av en màngfald olika metallegeringar inklusive sàdana som är relativt svära att svetsa sàsom nickel, kobolt och järnbaserade superlegering- ar, som används för att bilda gjutna eller smidda komponen- ter till gasturbinmotorer. Om komponenten 10 är ett gjut- tycke är defekten 12 typiskt en punktdefekt säsom en kera- misk inneslutning, por etc, även om defekten 12 i stället kan vara en linjär defekt.

Fig 1, som representerar ett första steg enligt uppfinning- en, visar en yta 24 pà en metallegeringskropp 20, som upp- värms med en brännarlàga 22 som alstras av en TIG- svetsapparat 23, sà att en svetssmältpöl 26 har utvecklats.

Sà som man kan förvänta sig utvecklas smältpölen 26 över tiden utmed en svetssmältfront 28, som fortplantar sig radiellt utàt och nedàt genom kroppen 20 frän en punkt närmast brännarlàgan 22. Svetssmältpölens 26 slutliga stor- lek och form sammanfaller med smältfrontens 28 största utsträckning vid den tidpunkt dä brännarlägan 22 släcks.

För evalueringsändamàl registreras denna smältfronts 28 (bredd samt de använda svetsparametrarna. utbredning i tiden, och därmed smältpölens storlek och djup) och form, Beroende pà typen av svetsteknik kan sàdana parametrar innefatta svetsström, användning av flussmedel, brännarlà- gans 22 läge i förhållande till ytan 24 etc, sàsom en fack- man inser.

Kroppen 20 är företrädesvis gjord av samma legering som komponenten 10 som skall repareras, även om kroppen 20, sàsom framgår av beskrivningen nedan, kan vara gjord av annat material sä länge som svetssmältfronten 28 fortplan- tas genom kroppen 20 pà likartat sätt som en svetssmält- front 38, vilken bringas utbreda sig genom komponenten 10 Uttrycket metallegering“ används här såsom omfattande legeringar som under likartade svetsbetingelser (fig 4). "samma är tillräckligt likartade med avseende pä sammansättning och mikrostruktur sä att de har likartade svetsegenskaper. 10 75 20 25 30 35 Antar man att kroppen 20 har isotropa egenskaper, har smältpölen 26 och smältfronten 28 allmänt cirkulära former vid kroppen 20 yta 24. Beroende pà den använda svetstekni- ken kan smältpölen 26 och smältfronten 28 även ha halvsfä- risk form, även om ett större sidförhàllande (djup kontra bredd) typiskt är att föredra för reparation av många ytdes fekter, olika svetstekniker kan användas för att genomföra metoden sàsom den i fig 2 visade defekten 12. Medan mànga enligt uppfinningen, är elektronsträle- eller lasersvets- teknik typisk att föredra för att reparera defekter som fordrar ett större sidförhàllande. För betingelser under vilka man använder en manuell svetsoperation kan TIG- och PTA-svetsteknikerna användas. Med utvecklingen av organiska flussmedel kan sidförhàllandet svetssmältpöl bildad genom TIG ökas med upp till 300%, (djup kontra bredd) hos en vilket gör TIG till en lämplig kandidat för manga typer av defekter. Med den i fig 1 visade TIG-tekniken initieras bàgen företrädesvis med TIG-maskinen i panelmod, och bàgens ström hälls därefter konstant.

En lämplig teknik för att observera smältfrontens 28 fort- plantning och smältpölens 26 storlek är metallografisk sektionering. Med den i fig 1 visade evalueringen kan man upprätta en databas, medelst vilken smältpölens 26 storlek och form kan registreras för varje antal svetstider för den använda svetstekniken och de använda parametrarna, och smältpölarnas 26 storlekar och former och de korrelerade svetstiderna katalogiseras. Med användning av samma teknik kan databasen utvidgas till att innefatta smältpölsstorle- kar och -former som är korrelerade till svetstider för en mängd olika legeringar, svetstekniker och parametrar.

I fig 2 har ett ytomràde 16 pà komponenten 10, defekten 12 utvalts. För att omfatta hela defekten 12 är ytomràdet 16, som skisseras av dess gränslinje 18, nära nog som omger detsamma som svetssmältpölen 26 vid den största utsträck- ningen av svetssmältfronten 28 i fig 1. Ytomràdet 16 är utvalt för att avlägsnas, varigenom defekten 12 elimineras Oc: 0 1 oc; 000 I I unc mot 00 0 0000 lab 0 10 75 20 25 30 35 o v o q a I o frán komponentens 10 yta 14, sä att det bildas en hàlighet 32 som visas i fig 3. Olika tekniker kan användas för att avlägsna ytomràdet 16 inklusive användning av luftverktyg som är utrustade med karbidfräsar för att grovbearbeta hàligheten 32, varefter man använder en precisionsfräs så att hàlighetens 32 storlek (bredd och djup) motsvarar ytomràdets 16 storlek och form och är därför nara och form nära nog sama som svetssmältpölen 26 vid dess största utsträck- ning i fig 1. För att förbereda för den i fig 3 visade svetsoperationen genomgår företrädesvis komponentens 10 yta och hàlighetens 32 yta en ytbehandling för att avlägsna eventuella oxider och andra ytföroreningar, som skulle inverka menligt pà svetsoperationen.

Fig 3 visar placeringen av en fillerinsats 30 i hàligheten 32, insatsen nagot underdimensionerad i förhållande till hàlig- heten 32. att àstadkoma ett diametralt spel mellan insatsens 30 som bildats i komponentens 10 yta 14. Såsom visas är Exempelvis kan insatsen vara dimensionerad för yttre yta 34 och hàligheten 32 om ca fem procent av insat- sens 30 diameter för att förenkla placeringen av insatsen 30 i hàligheten 32. Lämpliga material för insatsen 30 inne- fattar enligt uppfinningen legeringar som uppvisar mekanis- ka och termiska egenskaper, vilka är jämförbara med materi- alet i komponenten 10, tex en nickelbaserad legering om komponenten 10 är gjord av en nickelbaserad superlegering.

I detta avseende kan insatsen 30 betraktas sàsom gjord av samma metallegering som komponenten 10, såtillvida att (fig 4) genom insatsen 30 pà likartat sätt som svetsfronten 28, svetssmältfronten 38 kommer att fortplanta sig som fortplantades genom kroppen 20 under evalueringen, sä länge som likartade svetsbetingelser används. I en föredragen utföringsform modifieras insatsen 30 så att den är mera plastisk och har lägre smälttemperatur än legeringen i komponenten 10. Lämpliga beståndsdelar för detta ändamàl innefattar bor och kisel, sàsom är känt inom denna teknik. 00 0900 0 0 I u O Qin 0000 I I n u 00 0 10 15 20 25 30 35 c u o o Q o o o c no Fig 4 visar processen med att svetsa insatsen 30 till kom- ponenten 10 genom upphettning av insatsen 30 med en brän- narlàga 42, som arbetar med väsentligen samma parametrar som användes för att utföra den initiella evalueringen, som visas i fig l. För att säkerställa överensstämmande placer- ing av brännarlàgan 42 i förhållande till komponentens yta 14 under mycket varierande betingelser, visas TIG- svetsanordningen 43 sàsom uppburen pà ett stelt stöd 44.

Liksom hos kroppen 20 i fig l har en svetssmältpöl utveck- lats i insatsen 30 som resultat av den utàtgàende fort- plantningen av svetssmältfronten 38 genom insatsen 30 fràn en punkt närmast brännarlàgan 42. Beroende pà data som insamlades under evalueringen av kroppen 20 kan svetssmält- en given tidpunkt uppskat- den tid som förflutit frontens 38 storlek och form vid tas med precision pà grundval av sedan svetsoperationen började. Eftersom insatsens 30 stor- lek är känd kan man även med precision förutsäga den tid som fordras för att smältfronten 38 skall nä insatsens 30 yttre yta 34. Eftersom insatsens 30 storlek och form och placeringen av brännarlàgan 42 överensstämmer med smältpö- lens 26 storlek och form och brännarlàgans placering i fig 1, kan svetsningsoperationen utföras pà sàdant sätt, att smältfronten 38 anländer nästan samtidigt till insatsens 30 hela yttre yta 34.

Enligt en föredragen aspekt pà uppfinningen som visas i fig 5 fär smältfronten 38 fär smältfronten 38 fortplanta sig till ett väsentligen likformigt djup in i hàlighetens 32 yta, sä att smältpölen 36 inte endast förbrukar insatsen 30 utan även kommer in i ett begränsat parti 40 av komponenten 10 under hálighetens yta, sà att det bildas en metallisk bindning mellan insatsen 30 och komponenten 10. För detta ändamàl tilläts brännarlàgan 42 att arbeta under en mycket begränsad tid utöver den tid som krävs för att bilda smält- pölen 26 i fig l, sà att minimal smältning sker av kompo- nenten 10, och därmed sker minimal blandning av materielen i komponenten 10 och insatsen 30. Genom att blandningen minimeras reduceras sannolikheten för sprickbildning under 0000 n v i Oo no On 0 0 0 I 0 0 0 uno anus 0 0 0 0 10 15 20 25 30 35 c vc o o o : c o kylning efter svetsning och för efterföljande sprickbild- ning genom formàldring signifikant.

Efter svetsoperationen får komponenten 10 svalna pà känt sätt för att ytterligare reducera risken för svetsinducerad sprickbildning. Enligt vedertagen praxis kan komponenten 10 genomga värmebehandling efter svetsningen för att spän- ningsglödga värmepàverkade zoner (HAZ), som kan ha uppstått i komponenten 10 intill insatsen 30, som nu har formen av en svets vilken innefattar det parti 40 av komponenten 10 som smälte under svetsningen. Slutligen kan komponentens 10 yta 14 konditioneras ytterligare efter behov med lämpligt teknik för att avlägsna överskott av fillermaterial och ytföroreningar, som finns kvar efter svetsoperationen.

Med det ovanstående som bakgrund inser man att reparations- metoden enligt denna uppfinning är vägledande för utveck- ling av en stor katalog av insatser för reparation av en mängd olika legeringar och defekter av olika storlekar sä att ett -djup och -former korreleras med genom individuell evaluering av legeringarna, flertal smältpölsbredder, ett flertal svetstider och fakultativt för olika svetstek- niker och -parametrar. Pà grundval av dessa data kan sedan fillerinsatser formas som har approximativt samma bredder, djup och former, som identifierats med och korrelerats till svetstiderna, sá att en viss fillerinsats kan väljas ur ett sortiment av insatser pà grundval av legeringen som repare- ras, defektens storlek i legeringen och svetstekniken som kommer att användas. Eftersom svetsreparationsmetoden en- ligt denna uppfinning minimerar blandning av insatsen och komponentens moderlegering, reduceras de negativa effekter- na av blandning, vilket potentiellt medger att insatser kan bildas av ett antal fillermaterial inklusive legeringar, som annars vore relativt inkompatibla med legeringen som repareras.

Medan uppfinningen har beskrivits i form av en föredragen utföringsform är det uppenbart att andra former kan utföras nano 000 Olof 0 00! 0 Q IDO uno ann 000 I 0 0 000 I non 0 inet 000 0 \ »_ _/ .' som ena n n nu n oo ao 0 u oo oo Q nu ~ vn 0 A: : : a nu oo \o uu n o 0 U . . -oo u u 0 o c o neon 0 0 o a 0 o . . 1 n u 0 1 1 n o q o 0 o o o 1 o o en sann oo; .- av en fackman. Uppfinningens skyddsomfàng begränsas därför endast av patentkraven.

Claims (10)

0000 0 0 I n 10 15 20 25 30 35 PATENTKRAV

1. l. Svetsreparationsmetod innefattande stegen: (26) som är gjord av en metalleger- - bestäm utvecklingen av en svetssmältpöl i tiden i en (24) (20), för att korrelera smältpölens bredd, djup och form yta pà en kropp ing, med en tidrymd för en uppsättning svetsparametrar; (12) (10) som är gjord av en metallegering, vilken kan vara - avlägsna en defekt i en yta (l4) pá en komponent densamma som eller annan än metallegeringen i kroppen (20), varvid avlägsnandet av defekten (12) skapar en hä- lighet (32) (14), en form som väsentligen överensstämmer med i ytan som har en bredd, ett djup och en smältpöls bredd, djup och form, som korrelerades med en tidrymd un- der bestämningssteget. (30) (32), som har approximativt samma bredd, djup och form som hàligheten (32), (30) (34) är pla- cerad intill en yta i hàligheten (32); och - placera en fillerinsats i hàligheten sä att fillerinsatsens yttre yta - upphetta fillerinsatsen (30) med utnyttjande av nämnda uppsättning av svetsparametrar och under nämnda tidrymd, som korrelerades under bestämningssteget, för att smälta fillerinsatsen (30) och bilda en metallurgiskt bunden (32). svetsreparation, som fyller hàligheten

2. Svetsreparationsmetod enligt kravet l, varvid det under upphettningssteget fortplantas en smältfront (38) genom (30) (34) anländer väsentligen samtidigt till (34) (30). fillerinsatsen i riktning mot dess yttre yta (34), vilken smältfront hela den yttre ytan av fillerinsatsen

3. Svetsreparationsmetod enligt kravet l eller 2, varvid (40) av vilket under upphettningssteget smälter även ett parti (10) nedanför hàlighetens (32) (40) har väsentligen likformig tjocklek. komponenten yta, parti 70 15 20 25 30 35 , 1 ' 5, _. __ V ~ . - ncnnoo 0 0 n o nu nunnan 0 0 0 a no ana 1 | 0 nano non con none 0 anna 0 annu u _12-

4. Svetsreparationsmetod enligt kravet 1, varvid bestäm- nings- och upphettningsstegen utförs med ett svetsaggregat (23, 43) eller en högenergistràle.

5. Svetsreparationsmetod enligt kravet 1, varvid metalle- geringen i komponenten (10) är en superlegering.

6. Svetsreparationsmetod enligt kravet 1, varvid bestäm- ningssteget innefattar korrelering av ett flertal smält- pölsbredder, -djup och -former med flera tidsperioder för uppsättningen svetsparametrar.

7. Svetsreparationsmetod enligt kravet 6, varvid fillerin- (30), formade för att ha bredder, djup och former som är approxi- satsen (30) är en av flera fillerinsatser som är mativt lika med nämnda flertal av smältpölsbredder, -djup och -former för uppsättningen av smältparametrar, varvid metoden därjämte innefattar steget att välja fillerinsatsen (30) bland ett flertal fillerinsatser (30).

8. Svetsreparationsmetod enligt kravet 1, varvid fillerin- satsen (30) är gjord av en andra metallegering, som är mer plastisk än metallegeringen i komponenten (10) och/eller har lägre smälttemperatur än metallegeringen i komponenten (10).

9. Svetsreparationsmetod enligt kravet 1, varvid bestäm- ningssteget innefattar att man bestämmer utvecklingen av smältpölar (26) i tiden för ett flertal metallegeringar för att korrelera smältpölsbredden, -djupet och -formen med tidrymden för nämnda flertal metallegeringar för ett fler- tal uppsättningar av svetsparametrar.

10. Svetsreparationsmetod enligt kravet 1, varvid metalle- geringen i komponenten (10) är en superlegering för en gasturbinmotorkomponent, som är gjuten eller smidd.