用于利用振荡束焊接析出硬化的超合金的技术的制作方法

本发明涉及一种用于焊接析出硬化的超合金的技术，并且特别地涉及一种用于焊接析出硬化的超合金制品以产生焊接接头的方法和系统。

析出硬化，也称为析出强化或时效硬化，是一种众所周知的热处理技术，其用于提高可延展材料的屈服强度。析出硬化可有利地用于提高许多结构合金（例如，铝，镁，镍，钛以及某些钢和不锈钢的合金）的屈服强度。使用析出硬化的具体示例是超合金（例如镍基合金（ni基合金））的加工，由于其出色的机械性能和在高温下的耐腐蚀性/抗氧化性而广泛用于内燃机和燃气涡轮机的高负荷部件。在制造和/或维修此部件时通常需要进行焊接工艺。

这种析出硬化或析出强化的材料或合金的优异机械性能归因于析出硬化导致析出硬化或析出强化材料或合金中形成的二次相析出的存在，例如有助于材料的析出强化的镍基超合金中的伽马主要（γ′）相的存在。析出硬化的材料或合金中的γ′相的量越高，机械强度就越高。

然而，这样的包括相对高含量的二次相析出（例如ni基超合金中的γ′相）的析出硬化的材料或超合金，在焊接期间或在焊接后热处理期间易于开裂。结果，这种析出硬化的材料或超合金难以焊接。当焊接这种析出硬化材料或超合金（例如高强度镍基超合金）时，会形成两种类型的裂纹：在焊接过程中，当焊接材料固化时发生的热裂纹；以及在焊后时效热处理期间发生的应变时效裂纹。

目前使用几种技术来改善析出硬化的合金，并且尤其是镍基超合金的可焊接性。改善镍基超合金可焊性的一种已知方法是使材料经受预焊接的过时效处理。常规的预焊接的过时效处理包括将材料加热到固溶温度以溶解强化的γ′相，接着缓慢冷却以使γ′相作为粗颗粒再析出出来。这增加了材料的延展性，从而有助于限制由焊接产生的残余应力的累积。

美国专利公开号5,509,980a描述了一种用于镍基超合金的预焊接过时效热处理，其中将合金加热至固溶温度一段时间，该时间足以溶解合金微结构的γ′相，然后在间歇加热期间缓慢冷却，使得γ′相再析出为粗等大颗粒，并且基本上避免了细小尺寸的γ′相颗粒的存在。美国专利公开号5,509,980a的公开进一步提出了一种焊接方法，其中使用了上述预焊接的过时效处理。

美国专利号7,653,995描述了一种在环境温度下焊接修复超合金材料而不会引起基础材料开裂的方法。在美国专利号us7,653,995中，使超合金材料、例如cm-247lc经受过时效的预焊接热处理，以使材料中的γ′析出的体积百分比增长到足以允许环境温度焊接而不会开裂的水平。cm-247lc材料在真空炉中以每分钟约0.5°c的速率加热到约885°c的中间温度。然后将该材料用气扇淬火至约52°c的温度以将γ′析出百分比增长到约55％。美国专利号7,653,995提到，然后可以使用具有与基础材料的化学性质相匹配的化学性质的填充材料在环境温度下对材料进行熔合修复焊接。

美国专利us6,333,484描述了一种焊接技术，其中将整个焊接区域预热至最大延展性温度范围，并且在焊接和焊接固化期间保持该升高的温度。

前述技术需要预焊接处理步骤，因此导致增加的复杂性，更高的能量消耗以及延长的制造/维修过程时间。因此，存在对用于焊接析出硬化的材料或合金的技术的需求。

因此，本发明的目的是提供一种技术，特别是一种用于焊接析出硬化的材料或合金、例如ni基超合金的方法和系统。如前文对传统已知技术所述，期望该技术没有任何预焊接的热处理步骤，从而更简单并且具有缩短制造/维修过程时间。期望该技术有益于降低开裂的风险并由此提高焊件的质量。

上述目的是通过根据本技术权利要求1的一种用于焊接析出硬化超合金制品以产生焊接接头的方法，以及根据本技术权利要求10的一种用于焊接析出硬化超合金制品以产生焊接接头的系统来实现的。在从属权利要求中提供了本技术的有利实施例。

在本技术的一方面，提出了一种用于焊接析出硬化的超合金制品以产生焊接接头的方法。析出硬化超合金可以是镍基超合金，例如具有由等于或大于45体积百分比的γ'相体积百分比的镍基超合金。

在该方法中，从待产生的焊接接头的整个长度内纵向地限定一个或多个部分。随后，在一个或多个部分中进行与待产生的焊接接头相邻的超合金材料的熔化。通过将功率束引导朝向该部分并在该部分内纵向振荡该功率束来进行熔化。功率束由束源、例如激光束焊接束源（例如激光发射器）、电子束焊接束源（例如电子枪）产生。通过使产生功率束的束源振荡或通过将产生功率束的束源保持静止的同时振荡束本身，或者通过使功率束振荡与使束源振荡相结合，来使功率束在部分内纵向振荡。选择功率束的强度和功率束的振荡频率，以使得与待产生的焊接接头相邻的超合金材料被均匀加热并熔化，从而由如此熔化的超合金材料的固结产生焊接接头。如本文所用，术语“固结”包括一起形成一个块团或整体，或合并和随后凝固的动作。

在本公开中，短语“功率束的振荡”或“束的振荡”是指通过物理地移动束源或通过保持束源固定并改变束的方向来改变束的方向。

此后，在该方法中，通过逐渐减小功率束的强度，同时在部分内纵向振荡功率束，来固化焊接接头。在部分内使功率束纵向振荡的同时逐渐减小功率束的强度的过程中，功率束的振荡频率可以与在熔化待产生的焊接接头附近的超合金材料时功率束的振荡频率相同。此外，在部分内纵向振荡功率束的同时逐渐减小功率束的强度的过程中，可以在部分内使功率束纵向振荡的同时逐渐减小功率束的强度，直到焊接接头的温度达到600°c至700°c之间为止。

本技术不需要任何预焊接热处理步骤或由任何预焊接热处理步骤产生的任何其他步骤，从而允许减少能量消耗并缩短制造/维修过程时间。通过在焊接接头凝固期间使用振荡的功率束以及功率束的适当强度，本技术允许降低冷却速率，这又将导致在超合金的微观结构中γ′颗粒与γ基质之间的界面处产生较低的γ/γ′晶格错配和较低的内部应力。减少内部应力有利于降低开裂的风险，从而提高焊件的质量。

在该方法的一个实施例中，当从待产生的焊接接头的整个长度内沿纵向限定多个区段时，针对不同的区段分别进行超合金材料的熔化以产生焊接接头并固化该焊接接头。这样限定的每个部分的长度在10毫米至100毫米之间。

在本技术的另一方面，提出了一种用于焊接析出硬化的超合金制品以产生焊接接头的系统。该系统包括束源、振荡机构和控制单元。束源产生功率束。束源被配置为改变所产生的功率束的强度，即，达到期望的功率束强度，以及从期望强度增加和/或减小强度。束源可以是激光束焊接束源或电子束焊接束源。振荡机构引起和/或改变功率束的振荡。

控制单元在待产生的焊接接头的整个长度内纵向地限定一个或多个部分。控制单元控制振荡机构以在一个或多个部分之一内以所选择频率实现功率束的纵向振荡，并控制束源以提供所选择强度的功率束。所选择的强度和所选择的频率使得与待产生的焊接接头相邻的超合金材料被均匀地加热并熔化，从而由如此熔化的超合金材料的固结来产生焊接接头。

此外，控制单元控制束源以在控制振荡机构以使功率束纵向振荡的同时，从所选强度逐渐减小功率束的强度。在系统的相关实施例中，控制单元控制束源以在控制振荡机构以所选择频率纵向振荡功率束的同时，从所选择强度逐渐减小功率束的强度。

在本技术的系统的实施例中，控制单元纵向地限定一个或多个部分，每个部分的长度如此限定在10mm至100mm之间。

在该系统的另一实施例中，振荡机构通过在束源中引起和/或改变振荡或通过反复改变形成功率束的粒子（例如电子）的运动方向或通过两者来引起和/或改变功率束的振荡。

在该系统的另一实施例中，当逐渐降低功率束的强度的同时如由温度传感器检测到的焊接接头的温度达到600℃至700℃之间时，控制单元进一步控制振荡机构以停止使功率束纵向振荡，。

在下文中，将参考附图中示出的图示实施例来进一步描述本技术，其中：

图1示意性地示出了根据本技术的方面的用于焊接析出硬化的超合金制品以产生焊接接头的系统的示例性实施例；

图2以图形表示冷却速率对cm-247lc超合金计算的γ/γ′晶格错配的影响；和

图3表示流程图，该流程图表示根据本技术的方法。

在下文中，详细描述本技术的上述和其他特征。参考附图描述了各种实施例，其中，相同的附图标记始终用于表示相同的元件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对一个或多个实施例的透彻理解。可以注意到，所示的实施例旨在解释而不是限制本发明。明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这样的实施例。

可以注意到，在本公开中，术语“第一”，“第二”等在本文中仅用于促进讨论，并且除非另外指出，否则不具有特定的时间或时间顺序意义。

本发明提供一种用于焊接析出硬化的超合金制品以产生焊接接头的技术。析出硬化的超合金可以是镍基超合金，例如，γ′相的体积百分比等于或大于45体积百分比的镍基超合金。析出硬化的超合金的具体示例是cannon-muskegoncorporation以名称cm-247lc出售的定向凝固（ds）铸造镍基超合金材料。已知cm-247lc具有以下名义组成，以重量百分比表示：碳0.07％；铬8％；钴9％；钼0.5％；钨10％；钽3.2％；钛0.7％；铝5.6％；硼0.015％；锆0.01％；铪1.4％；和其余的镍。从析出硬化的超合金（在下文中被称为超合金）制成的制品，可以是燃气涡轮机的部件，诸如燃气涡轮机的或者经受燃气涡轮机中热气体流动的涡轮机的任何其它部件（例如隔热罩）的叶片或叶。本技术用于焊接此制品。在焊接时，可以使用适当的填充材料，例如用于cm-247lc的填充材料（mar-m247）作为基础材料。

当考虑到在高体积分数的析出强化合金（例如具有45体积百分数或更高的γ′相的镍基超合金）中出现裂纹的趋势时，关键参数之一是析出和碱金属相之间的晶格错配值。在镍基超合金中，较大的伽玛/伽玛主要（γ/γ'）晶格错配会在伽玛主要颗粒与金属伽玛基体之间的界面处形成内部错配应力，该应力会与焊缝凝固过程中形成的热诱导（拉伸）应力相叠加会导致焊接后材料的微裂纹。因此，就防止开裂的风险而言，最小化伽玛/伽玛主要错配是有利的。

从图2中可以看出，γ/γ'晶格错配的大小在很大程度上取决于凝固过程中的冷却速率，即，焊接接头的冷却速率越低，γ/γ'晶格错配就越小，并且焊缝开裂的风险越小。图2以图形表示冷却速率对γ'部分约为60体积百分比的合金cm-247lc计算的γ/γ'晶格错配的影响。通过本技术实现了对于焊接接头，并且更具体地对于焊缝的该期望的较低的冷却速率。在图2中，轴80表示γ/γ'晶格错配，并且轴90表示冷却速度，单位为degc/s（每秒摄氏度）。

在下文中，参考图1说明如图3中所示的本技术的方法100的步骤和根据本技术的方面的系统1。本技术用于焊接析出硬化的超合金，其在下文中简称为超合金。

提出了用于焊接析出硬化的超合金制品以产生焊接接头5的系统1。在图1的示例性实施例中，意图将两个部分，即部分2和部分3焊接在一起。部分2、3可以是同一物品的部分，例如一个部分可以是隔热罩的碎裂部分或替代物，而另一部分可以是隔热罩的剩余主体。部分2、3可以是在两个被彼此焊接的两个不同的制品。如图1中所示，部分2、3意图在被焊接到彼此，并且因此期望产生焊接接头5。焊接接头5可在有或没有合适的填充材料的情况下通过将部件2、3焊接到彼此来产生。部分2、3或至少与待产生的焊接接头5相邻的部分2、3的区域由超合金形成。在部件2、3之间待产生的焊接接头5已由虚线5表示。

如图1中所示，将待生产的焊接接头5分成一个或多个部分7。可以注意到，为了更好地理解，在焊接接头5上使用了三个短线段来划定两个部分7，然而，在本技术的应用中，不需要这种视觉上的划界。还可以注意到，在图1中仅示出了两个部分7，然而本领域技术人员可以理解，取决于待产生的焊接接头5的整个长度或长度以及部分7的长度，若干这样的部分7是可能的。在本技术的一个实施例中，每个这样的部分7的长度在10mm至100mm之间。本技术单独地且独立于部分7的其余部分地应用于每个部分7上。例如，可以将本技术应用于部分7之一，并且然后在本技术针对该部分7总结之后，可以随后将其应用于相邻的部分7，并且然后应用于另一部分7。在另一个示例中，可以将本技术同时应用于多个部分7，并且然后在本技术针对一个或多个这样的部分7总结之后，随后可以将其施加到一个或多个相邻的部分7。仅当所有部分7都已经受本技术时，焊接接头5的整个长度才被焊接。

系统1包括束源10、振荡机构20和控制单元30。束源10产生功率束。在图1中，点12被描绘为示意性地表示投射在待产生的部件2、3和焊接接头5上的功率束。为了说明的目的，下文中相对于图1中其中具有点12的部分7说明了本技术。束源10可以是激光束焊接束源或电子束焊接束源。束源10被配置为改变产生的功率束的强度，即，达到功率束的期望强度，以及从期望强度增加和/或减小强度。用于焊接超合金的束源10，并且更特别是用于电子束焊接和激光束焊接中的束源以及改变这样的束源的强度的机构和技术在焊接领域中是众所周知的，因此为了简洁起见本文不做进一步详细解释。

振荡机构20引起和/或改变功率束的振荡。这是通过引起和/或改变束源10的振荡，或通过引起和/或改变由束源10产生的束的振荡或通过其组合来实现的。振荡机构20可以包括马达、变频驱动器，马达控制器等，以使得能够引入和改变束源10的振荡。替代振荡机构20的上述结构地或者除了振荡机构20的上述结构之外，振荡机构20可以包括电磁透镜或也称为磁性透镜的系统或布置（未示出）。当束源是电子枪时，电磁透镜聚焦和/或偏转，从而能够执行移动带电粒子（例如形成电子束的电子）的振荡。由洛伦兹力作用在组成电子束的带电粒子上，使它们从一个方向偏转到另一个方向，从而使功率束沿给定轴来回运动成为可能。

电磁透镜通常包括以四极、六极或更高格式布置的若干电磁体，即电磁线圈放置在正方形或其他正多边形的顶点处。通过这种构造，可以形成定制的磁场来操纵粒子，即形成功率束的电子，从而操纵或改变束的方向。在系统1的示例性实施例中，束源10是激光发射器，并且振荡机构20包括驱动器，该驱动器物理地移动激光发射器以引起激光束的振荡。在另一实施例中，束源10是电子枪，并且振荡机构20包括电磁透镜系统，其使功率束的电子运动以引起束的振荡，而不会物理地振荡电子枪。

如上所述，振荡机构20控制或作用于功率束或束源10上，以开始功率束和/或束源10的振荡，以停止功率束和/或束源10的振荡，以增加或减小功率束和/或束源10的振荡，和/或将功率束和/或束源10的振荡维持在期望的频率。振荡机构20还起到限制功率束或束源10的振荡的作用，使得点12保持在正在对其执行本技术的部分7内。在沿着部分7纵向延伸的方向9上执行振荡。

控制单元30从在待产生的焊接接头5的整个长度内纵向地限定一个或多个部分7。焊接接头5的整个长度可以由用户手动地提供给控制单元30，或者可以由控制单元30基于用户提供的指针来确定，以显示出至少两个位置，焊接接头5将产生在该至少两个位置之间。

控制单元30控制振荡机构20以在一个或多个部分7内以所选择的频率实现功率束的纵向振荡，并且控制束源10以提供所选择的功率束强度。所选择的强度和所选择的频率使得与焊接接头5相邻的超合金材料被均匀地加热并熔化，从而由如此熔化的超合金材料的固结来产生焊接接头5。

此外，控制单元30控制束源10以从所选择的强度逐渐减小功率束的强度，同时控制振荡机构20以使功率束纵向振荡。束源10和/或功率束可以由振荡机构20在熔化期间并且随后在焊接接头5的凝固期间以均匀的频率或相同的频率（即所选择的频率）振荡。

在下文中，将参考图3进一步解释本技术的方法100的步骤。本技术的方法100可以由本技术的系统1来实现。在方法100中，如上所述，在步骤110中从待产生的焊接接头5的整个长度内纵向限定一个或多个部分7。方法100的其余步骤在部分7之一上执行。随后，在步骤120中熔化该一个部分7内并与待产生的焊接接头5相邻的超合金材料。通过将功率束引导朝向部分7，并在部分7内纵向振荡功率束来执行熔化。选择功率束的强度和功率束的振荡频率，以使在部分7内并与待产生的焊接接头5相邻的超合金材料被均匀加热并熔化，从而由如此熔化的超合金材料的固结产生焊接接头5。

由于均匀加热，部分7的部分或部分7的子部分的温度均匀地或基本类似地升高，从而避免了在部分7的子部分内形成大量的热梯度。如果在部分7内超合金材料熔化期间，在任何给定的时间点，两个子部分或区域之间的温度差在零和50摄氏度的范围内，则称部分7内的两个子区域或区域被“均匀地”加热。

此后，在方法100中，在步骤130中，通过逐渐减小功率束的强度，同时在部分7内纵向振荡功率束，来固化焊接接头5。在此使用的短语“逐渐减小”是指以均匀或一致的速率，或连续或稳定地降低，或不间断或连续地，或非突然或非偶然地降低。在在部分7内使功率束纵向振荡的同时逐渐减小功率束的强度的过程中，功率束的振荡频率可以与在先前步骤中熔化超合金材料时保持的功率束的振荡频率相同。此外，在部分内纵向振荡功率束的同时使功率束的强度逐渐减小的过程中，可以执行在使功率束在部分内纵向振荡的同时逐渐减小功率束的强度，直到焊接接头5的温度达到600°c至700°c之间为止。在冷却或凝固期间焊接接头5的温度达到600℃至700℃之间之后，可以关闭束源10，即，对于该部分7，不需要功率束的进一步要求。此外，束源10和/或功率束的振荡也可以被停止。由于功率束没有进一步投射在该部分7内的焊接接头5上，因此，部分7内的焊接接头5此后通过与周围空气或环境对流自然冷却。

可以注意到，尽管以上已经说明了本技术的系统1和本技术的方法100，以用于相对于一个部分7进行焊接接头5的焊接，但是可以使用系统1和方法100以同时相对于多个部分7进行焊接接头5的焊接。为了同时进行多个部分7的焊接，系统1将包括：多个束源10或伴随分束器的一个束源10；振荡机构20，其与多个束或分束中的每个相关联；以及控制单元30，其具有一个或多个处理器或处理模块，以控制一个或多个束源10和/或控制一个或多个振荡机构20。

尽管已经参考某些实施例详细描述了本技术，但是应当理解，本技术不限于那些精确的实施例。相反，鉴于描述了实施本发明的示例性模式的本公开，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以进行多种修改和变型。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是前述说明书而指出。落入权利要求书的等同含义和范围之内的所有改变、修改和变化都应被认为在其范围之内。

附图标记列表

1系统

2物品的部分

3物品的部分

5待产生的焊接接头

7部分

9纵向方向

10束源

20振荡机制

30控制单元

80代表伽玛/伽玛主要错配的轴

90以摄氏度/秒为单位的冷却速度

100方法

110限定一个或多个部分

120熔化

130固化