专利名称：焊接方法
技术领域：
本发明主要涉及焊接设备和方法。更具体而言，本发明涉及一种用于修理燃气轮机中的压缩机后框架(CRF)的电弧焊接方法。
背景技术：
图1示意性地示出了由通用电气公司生产的CF6-50型高旁通燃气轮机中的压缩机后框架(CRF)10。可看到该框架10包括通过径向延伸的支柱16相互连接在一起的内壳壁12和外壳壁14。位于内壳壁12前端的支承凸缘18适合于带有固定不动的密封件，被称作压缩机排气压力(CDP)密封件(未示出)。当框架10被装配到引擎中时，CDP密封件被安置在非常接近安装在互连高压涡轮机和引擎压缩机的轴上的密封盘(未示出)处。CDP密封件与密封盘上的密封齿配合以在内壳壁12和旋转轴之间形成曲折的流动通道，由此将旁路绕过密封件下游的压缩机的压缩机排放空气的量减至最少。
由于在框架10上进行焊补会产生变形，从而导致凸缘18移动至凸缘18的尺寸限制不能被恢复的程度，结果是支承凸缘18不可避免地需要进行更换。为此目的，内壳壁12通常进行机加工以去除凸缘18，并且将经过粗机加工的环形凸缘焊接至其适当的位置处。通过这种方式，可对外壳壁14和内壳壁12的主体进行抢修。除去材料方面的考虑，在本实例中通常为镍基超级合金例如因科镍合金718，用于焊接更换凸缘18的适当的焊接方法取决于内壳壁12和要进行焊接点处的凸缘18的壁厚。达到大约0.090英寸(约2.3毫米)的薄壁可采用使用单道次平头对接的焊接结构的钨极气体电弧焊接(GTAW)法进行焊接。然而，在最实际的切开用于去除已磨损的凸缘18的地方，CF6-50型引擎的内壳壁12的名义壁厚为约0.140英寸(约3.56毫米)。在这种情况下，一般考虑电子束(EB)焊接与用GTAW法进行修复所使用的基本上相同的单道次平头对接的焊接结构相结合。然而，由于框架10内的CDP密封凸缘18的阻碍和外壳壁14的邻近，因此不能使用电子束焊接法在CF6-50型框架10上进行所述焊补。
鉴于此，已开发出多道次GTAW焊接技术，在图2中示出了作为图1所示密封凸缘18的细部的多道次焊接技术的一个实例。如图2中所示的该种方法，焊接结构20是通过四个焊接道次积累而成的。由于常规的GTAW技术能达到的焊透深度有限，因此不使用对焊接头。代替的是，必须进行专门的接头制备，例如如图2所示的V形沟槽22。对进行多道次以在沟槽22内累积出焊接结构20的要求不是最优的，原因在于实施这种修理费时并且通常会造成部件变形，其可大量产生一系列计划外的修理工作。由焊接引发的变形加重了内壳壁12不圆的现有趋势，在不将壁12和凸缘16机加工至所得到的壁厚小于可允许的范围的程度的情况下，本身使其难于进行焊接。
一种改进的GTAW方法，被称作焊透增强型钨极气体电弧焊接(PE-GTAW)方法最近已得到发展，使得有可能焊接超过0.090英寸的壁。一种所述方法采用焊透增强型焊剂，如Johnson等的美国专利No.6,664,508中所披露。Johnson等披露了一种在市场上可买到的爱迪生焊接机构公司(Edison Welding Institute，Inc.(EWI))的产品名为Ni-139的焊剂，所述焊剂含有钛酸盐和一种或多种过渡金属的氧化物。所希望的是，使用Johnson等披露的这种类型的焊透增强型焊剂的单道次GTAW方法可适用于焊接燃气轮机中的压缩机后框架，且特别是CF6-50型引擎的CRF。
发明内容
本发明提供一种适用于修理燃气轮机中的压缩机后框架，特别是使用GTAW方法单道次地将新的密封凸缘焊接到压缩机后框架上的焊接方法。使用改进的焊透增强型钨极气体电弧焊接(PE-GTAW)方法，包括适用于该方法的焊接设备、焊接参数和焊接接头结构，可在不造成框架过度变形的情况下更换压缩机后框架的密封凸缘。此外，所述焊接接头结构适用于适应非圆状态下的框架。最后，所述方法提供要进行的随后的“表面”焊接，在该过程中，焊条可被沉积以实现所述框架和修理的尺寸和机械性能要求。
使用本发明的方法所修理的压缩机后框架通常包括大体上外接圆柱体形内壳壁的圆柱体形外壳壁，要进行更换的凸缘位于所述内壳壁上。所述方法通常需要从所述内壳壁上除去凸缘以限定出在内壳壁上的环形面，并制造出更换凸缘，所述更换凸缘的环形面的宽度大于所述内壳壁上的环形面的宽度。然后所述更换凸缘和所述内壳壁的环形面配合以在其间限定出接头。在由接头分隔开的所述更换凸缘和所述内壳壁的相邻表面上沉积焊透增强型焊剂后，通过在电极与所述更换凸缘和所述内壳壁的相邻表面间的接头之间产生电弧而进行单道次钨极气体电弧焊接操作。实施焊接操作以形成根部焊接结构，所述根部焊接结构延伸完全穿过所述接头以在冶金学上将更换凸缘连接到内壳壁上。
根据本发明的一个优选方面，基本上所有在焊接操作后残留的焊透增强型焊剂被除去，并且进行第二道次钨极气体电弧焊接操作以平滑修匀所述根部焊接结构。所述第二操作可在所述根部焊接结构上沉积填料并且形成不穿透所述根部焊接结构的第二焊接结构。所述第二焊接结构的目的包括使最终焊接接头的尺寸在可接受的范围内。为此目的使用通常常规的GTAW方法，可避免对最终焊接结构进行机加工，同时框架依然能够达到适当的机械性能，包括疲劳强度。
由上面可知，本发明的修理方法避免了对专用接头制备的要求，制备所述专用接头以实现GTAW焊接结构完全穿透厚壁，例如压缩机后框架的内壳壁。此外，更换压缩机后框架上的密封凸缘仅需要两个焊接道次，由此减小了所述框架发生不可接受的变形的风险。最后，本发明的修理方法利用一种接头结构，其中所述更换凸缘比内壳壁更宽，以便适应所述壳壁的非圆状态。以这种方式，免去了可能会使壁厚减小至可允许范围之下的机加工。
通过以下详细说明，会更好地理解本发明的其它目的和优点。
图1示意性地示出了使用本发明所述的方法可被修复的所述类型的压缩机后框架的纵剖视图；图2示出了在焊接如图1所示类型的压缩机后框架上的更换凸缘时实施现有技术的多道GTAW方法的结果；图3和4示出了在焊接如图1所示类型的压缩机后框架上的更换凸缘时本发明的焊接方法中的两个步骤；图5是通过在图4所示类型的焊接结构上实施单道表面(cosmetic)GTAW方法而成形出的焊接结构的剖面扫描图像，其中在根据本发明优选方面的单道表面GTAW方法被实施之前，在PE-GTAW方法中使用的焊剂被全部除去；和图6是通过在图4所示类型的焊接结构上实施单道表面GTAW方法而成形出的焊接结构的剖面扫描图像，其中在单道表面GTAW方法被实施之前，在PE-GTAW方法中使用的焊剂未被充分除去。
具体实施例方式
图3和4示出了在更换密封凸缘118和压缩机后框架(CRF)的内壳壁的前端之间形成的焊接接头120。与图2相类似，图3和4示出了图1中的压缩机后框架10的细部，并且由此内壳壁用附图标记12表示。压缩机后框架10优选由镍基超级合金，例如因科镍合金718制成，尽管本发明还适用于由不同材料制成的其它部件的焊接，并且其焊缝焊透和焊接质量对于实现合格的力学性能，包括强度和疲劳寿命来说是关键性的。如参考图1所述，框架10包括圆柱体形内壳壁12和大体上外接圆柱体形内壳壁12的圆柱体形外壳壁14。图3和4中的凸缘118取代了图1中的压缩机排放压力(CDP)密封凸缘18，从图中可见，密封凸缘18自内壳壁12的前端径向向内伸出。原始密封凸缘18和更换密封凸缘118大体上正交于内壳壁12的纵向轴线。在图3中，通过切开自凸缘18轴向向内的位置处，使得凸缘18与内壳壁12的邻接部分被一同去除，已将原始凸缘18从内壳壁12上除去。更换凸缘118被构造成形状上类似于原始凸缘18，并且具有邻接在除去原始凸缘18时所形成的内壳壁12的环形面130的环形面132。
图3中所示的焊接接头120是在使用根据本发明的焊接方法进行单道次焊接后的焊接接头120。在图3中，焊接接头120仅包括根部焊接结构124。在一个优选实施例中，随后实施“表面的”焊接道次以形成如图4所示的第二焊接结构126。第二焊接结构126完全覆盖但是不穿透根部焊接结构124，如参照图5和6更详细所述。
图3和4中示出了通过分别使内壳壁12的环形面130和更换凸缘118的环形面132相配合而限定出的原始焊接面122。图中可见，环形面130和132以被公知为平头对接的结构相互配合，其中焊接面122大体上垂直于在焊接操作将被实施的一侧上的壁12和凸缘118的相邻表面134和136。由此，明显的是特定的焊接操作，例如如图2中所示的V形沟槽22，不需要实施本发明的焊接操作。代替图2中所示的沟槽22，面130和132配合以沿整个焊接面122形成连续的、无缝隙的接头。
如参照图1和2所述，CF6-50型引擎的内壳壁12在框架10和壁12的径向方向上测得的名义厚度为约0.140英寸(约3.56毫米)。由图3，明显的是邻接内壳壁12的环形面130的更换凸缘118的环形面132的厚度(径向宽度)明显大于环形面130的厚度。例如，更换凸缘118在面132处的厚度可为约0.185英寸(约4.6毫米)，或者比与其面130相邻的壁12的厚度厚约50％。凸缘面132的较大厚度考虑到由于运转和/或修理引发的变形所导致的内壳壁12不圆而造成的面130和132之间的不匹配。进而，本发明所采用的单道次焊接方法能够焊透焊接面122的整个厚度，产生根部焊接结构124，而不存在由于面130和132厚度的明显不同而可能造成的不利影响。
在实施焊接操作以形成根部焊接结构124之前，壳壁12和更换凸缘118优选使用手动的GTAW技术被定位焊接在一起。定位焊接操作中可使用填料，所述填料沿壁12的周边断续沉积，以在其相邻的表面134和136处连接壁12和凸缘118的面130和132。在壳壁12和更换凸缘118是由因科镍合金718制成的本实例中，适当的填料为AMS 5832，AMS 5832为航空材料规格，包括因科镍合金718 及多种其它的市场上可买到的合金。根据进行连接的材料，可预见到其它适当的填料。定位焊接点仅需要具有足够的尺寸和个数，以将壳壁12和更换凸缘118固定在一起，用于进行如下面所述的焊接操作。
本发明的优选焊接方法为使用焊透增强型焊剂的单道次焊透增强型钨极气体电弧焊接(PE-GTAW)。优选的焊剂在Johnson等的美国专利No.6,664,508中被披露，并且在市场上可买到爱迪生焊接机构公司(Edison Welding Institute，Inc.(EWI))的产品名为Ni-139的产品。Johnson等所披露涉及焊透增强型焊剂的组成的内容在此作为参考而被引用。该焊剂被披露包含钛酸盐和一种或多种过渡金属的氧化物。如图3所示，均匀的焊剂涂层128被沉积到壁12和凸缘118的表面134和136上，所述表面134和136位于将要实施焊接操作的接头一侧上。值得注意的是，这些表面134和136位于内壳壁12内部，使得由于空间限制，电子束(EB)焊接不实用。PE-GTAW方法的焊接参数包括以下参数电流 210-215安培(直流，正极性)电压9.7-9.9伏特电极3/32英寸(0.24毫米)直径移动速度.5ipm(约24厘米/分钟)填料无保护气体氩保护气体流速25-35立方英尺/小时(0.71-0.99立方米/小时)焊枪型号HW27焊枪-工件间的距离优选保持存在能够准确控制焊接电极与壁12和凸缘118的相邻表面134和136之间的距离的自动电压控制(AVC)。在任何情况下，通过适当的反馈，恒定的弧长被保持作为在焊接面122处沿接头的焊接道次，由此保持基本上恒定的弧隙/弧距。
在如上所述的用于形成如图3所示的根部焊接结构124的焊接操作之后，对经过焊接的组件优选进行“表面”焊接操作，其中对表面134和136进行第二焊接道次，其结果如图4所示。与如上所述的用于产生根部焊接结构124的PE-GTAW方法相比较，该第二焊接操作不使用焊透增强型焊剂。实际上，在表面焊接操作过程中这种焊剂的存在产生不希望的结果，如下面所述。进一步与PE-GTAW方法相对比，表面焊接操作中可使用填料，所述填料被沉积以形成第二焊接结构126。该第二“表面”焊接结构126不仅产生所希望的最终焊接接头120的表面外观，而且改善了焊接接头120的表面几何形状。焊接接头120的平滑修匀有利于凸缘118的各种后续机加工，这对于恢复原始凸缘-壁的过渡部分是必要的。适当的填料取决于进行连接的材料。如上面所述的定位焊接点，若壳壁12和更换凸缘118由因科镍合金718制成，那么适当的填料为AMS 5832。
图5中示出了使用如上所述的焊接方法所产生的焊接接头220的扫描图像。由图中所见，焊接接头220包括被表面焊接结构226所覆盖的根部焊接结构224。重要的是，表面焊接结构226完全覆盖，但是不穿透根部焊接结构224。更具体而言，可看到表面焊接结构226穿透焊接接头220的少一半厚度。具体对用于CF6-50型引擎的CRF的焊接接头120而言，表面焊接结构126优选穿透不超过焊接接头120厚度的30％，例如约焊接接头120厚度的25％。
从图6中可以看到焊透增强型焊剂对表面焊接结构和焊接接头的整体质量的不利影响，图中示出了使用上述同一用于图5所示的焊接接头220的焊接方法，但是在表面焊接操作过程中存在残留焊透增强型焊剂而生产出的焊接接头320。如同图5所示的焊接接头220的情况一样，图6中的焊接接头320包括根部焊接结构324和表面焊接结构326。然而，表面焊接结构326不完全覆盖根部焊接结构324，并且穿透超过根部焊接结构324厚度的一半。图6中的焊接接头320的缺点包括在表面处难于进行机加工和根部焊接结构324的切割不足(undercutting)，由此降低了焊接接头220的抗拉强度和疲劳强度。
尽管已根据优选实施例对本发明进行了描述，但是明显的是本领域的技术人员也可以采取其他的形式。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
部件列表10 框架12 壳壁14 壳壁16 支柱18 凸缘20 焊接结构22 沟槽118凸缘120焊接接头122焊接面124根部焊接结构126表面焊接结构128涂层130面132面134表面136表面220焊接接头224根部焊接结构226表面焊接结构320焊接接头324根部焊接结构326表面焊接结构
权利要求
1.一种用于修理燃气轮机中的压缩机后框架(10)的方法，所述压缩机后框架(10)包括圆柱体形内壳壁(12)和大体上外接内壳壁(12)的圆柱体形外壳壁(14)，所述内壳壁(12)具有适于承载密封构件的凸缘(18)，所述方法包括以下步骤从所述内壳壁(12)上除去凸缘(18)以限定出在内壳壁(12)上的环形面(130)，所述环形面(130)具有一定宽度；制造出更换凸缘(118)，所述更换凸缘的环形面(132)的宽度大于所述内壳壁(12)上的环形面(130)的宽度；使所述更换凸缘(118)和所述内壳壁(12)的环形面(130，132)配合以在其间限定出接头(122)；在由接头(122)分隔开的所述更换凸缘(118)和所述内壳壁(12)的相邻表面(134，136)上沉积焊透增强型焊剂(128)；通过在电极与所述更换凸缘(118)和所述内壳壁(12)的相邻表面(134，136)间的接头(122)之间产生电弧而进行单道次钨极气体电弧焊接操作，实施焊接操作以形成根部焊接结构(124)，所述根部焊接结构延伸完全穿过所述接头(122)以在冶金学上将更换凸缘(118)连接到内壳壁(12)上；除去基本上所有在焊接操作后残留的焊透增强型焊剂(128)；并且然后进行钨极气体电弧焊接操作以形成不穿透所述根部焊接结构(124)的第二焊接结构(126)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，更换凸缘(118)和所述内壳壁(12)之间的接头(122)为平头对接(122)，使得在进行配合步骤后，所述更换凸缘(118)和所述内壳壁(12)的环形面(130，132)之间不存在缝隙。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于，所述更换凸缘(118)和所述内壳壁(12)的环形面(130，132)位于大体上正交于所述内壳壁(12)的纵向轴线的平面中。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述内壳壁(12)的环形面(130)的宽度为大于2.3毫米。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述更换凸缘(118)的环形面(132)的宽度比所述内壳壁(12)的环形面(130)的宽度大出约50％。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二焊接结构(126)完全覆盖所述根部焊接结构(124)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二焊接结构(126)穿透不超过所述根部焊接结构(124)的厚度的30％。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，在进行单道次钨极气体电弧焊接操作以形成根部焊接结构(124)的步骤中，使用自动电压控制以保持在电极与所述更换凸缘(118)和所述内壳壁(12)的相邻表面(134，136)间的接头(122)之间的基本上恒定的电弧长度。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述更换凸缘(118)和所述内壳壁(12)的相邻表面(134，136)位于所述内壳壁(12)的内部。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述焊剂(128)中含有钛酸盐和一种或多种过渡金属的氧化物。
全文摘要
一种用于修理燃气轮机中的压缩机后框架(10)的方法。所述方法需要从所述内壳壁(12)上除去凸缘(18)以限定出在内壳壁(12)上的环形面(130)，并制造出更换凸缘(118)，所述更换凸缘的环形面(132)的宽度大于所述内壳壁(12)上的环形面(130)的宽度。所述更换凸缘(118)和所述内壳壁(12)的环形面(130，132)配合以形成接头(122)，在接头(122)附近沉积焊透增强型焊剂(128)，并且进行单道次钨极气体电弧焊接操作以形成根部焊接结构(124)，所述根部焊接结构延伸完全穿过所述接头(122)。然后除去焊剂(128)；并且进行钨极气体电弧焊接操作以在根部焊接结构(124)上沉积填料并形成完全覆盖但不穿透所述根部焊接结构(124)的第二焊接结构(126)。
文档编号B23K9/00GK1680066SQ20051006487
公开日2005年10月12日 申请日期2005年4月8日 优先权日2004年4月8日
发明者G·E·特雷维勒, D·皮科克, W·H·哈里森 申请人:通用电气公司