专利名称：焊接修复部件的方法及其所修复的部件的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种焊接修复金属合金的方法，尤其涉及那些用于燃气轮机的高温环境下的金属合金。更加具体地，本发明涉及一种对这些合金所制成的部件上的缺陷实现受控的焊接修复的方法，该方法通过采用填充材料修复缺陷，将合金的熔化最小化。
背景技术：
燃气轮机的热高温段部件，例如轮叶(叶片)、轮翼(喷嘴)和燃烧室，通常由镍、钴和铁基超耐热合金所制成，具有在燃气操作温度下所需的机械性能。这些部件通常为铸件形式，因此可能会具有需要修复的点缺陷，例如陶瓷的夹渣(ceramic inclusion)、气孔以及小的线缺陷等。不同的焊接技术都可以用来修复这些缺陷，包括钨极气体保护(TIG)焊和等离子弧焊(PTA)焊接工艺，这些焊接方法的焊接过程必须小心操作，以得到可接受的焊接结果，保证能够保持超耐热合金的机械性能。铸件厂家可以容易地进行采用相对简单的手工修复方法的修复，例如应用填充材料的TIG焊。
如本领域技术人员所知，焊接是局部熔化和重新凝固的过程。为了防止出现裂纹，待焊接修复合金必须具有足够的延展性以承受焊接过程中产生的热应变。然而，燃气轮机所采用的耐高温材料却具有先天的抗变形性，所以在室温下很难使用与待修复部件相同的合金作为填充材料。因此，就经常采用比母材合金延展性更好的合金来修复超耐热合金部件。而在采用延展性填充材料修复超耐热合金部件时，所遇到的问题是，在如TIG焊手动焊接过程中，很难控制填充材料与母材的比率。经常地，由于在焊道根部容易形成裂纹，所以超耐热合金和其它合金的TIG焊很困难，而裂纹的产生正是由于母材金属过多地熔入填充材料形成的熔池中所造成的。
通过上面的叙述可知，现在需要的是一种修复高温金属合金的方法，该方法同时又使母材金属最少的熔入填充材料。
发明内容
本发明提供了一种修复金属合金部件的方法，例如燃气轮机的超耐热合金部件，以及采用该方法所修复的部件。该方法使用一个具有预定尺寸和形状的填充插入件，使得在焊接过程中既可以使插入件完全的熔化，同时又可以使周围的金属合金部件的熔化最小化。这样，插入件和部件之间的混合达到最小，从而减小了在焊接过程后出现裂纹的危险。
按照本发明的焊接修复方法，主要包括进行一次评测，通过这次评测，可以确定在一段时间内主体(例如填充金属合金)表面中的焊接熔池随时间的发展情况，从而将焊熔池宽度、深度、形状和时间联系起来构成成套的参数。之后，对由金属合金(可以与经评测的主体相同或者不同)制成并且表面具有缺陷的部件进行机加工，去除缺陷，并在所述表面中形成一个腔，所述腔的宽度、深度和形状与评测过程中与一个时间段相关联的熔池宽度、深度和形状大致相同。此时，将具有与上述腔近似相同宽度、深度和形状的填充插入件放入腔中，使得填充插入件的外表面与腔的表面并置(juxtaposed)。最后，采用基本相同的一套焊接参数、以在评测过程中对应的相同时间段加热填充插入件，所述焊接参数和时间段是确定腔和插入件尺寸的基础。结果，填充插入件被熔化，从而形成填充上述腔的冶金连接焊接修复。
按照本发明的一个优选方面，评测的过程用来确定或预计在一套给定焊接条件和参数下，熔化前缘通过填充金属合金的扩展速率，或者至少是在不同时间段时熔化前缘的位置，这个信息在加热填充插入件时使用，使得通过插入件朝向其外表面扩展的熔化前缘基本上同时到达填充插入件的整个外表面。之后，加热过程还可以持续，并将该部件位于腔表面以下的一有限部分熔化，使得熔化的部分具有大致统一的厚度，有意限制该厚度以最小化插入件和部件的材料之间的混合。因此，相对较难焊接的金属合金，例如超耐热合金，可以通过采用具有更大延展性和/或更低熔点的合金制成的插入件来进行修复，同时由于减小了焊接过程中混合量降低而出现裂纹的危险。
通过上文的叙述，利用本发明的方法，可以应用许多不同的焊接技术，例如手弧焊或电子束焊，由于在评测和焊接操作过程中使用了相同的技术，从而可将焊接参数用于紧密控制焊接修复过程中的熔化量。而且，金属合金的评测可使多个熔池宽度、深度、形状对应多个时间段以形成一套或多套焊接参数。此时，就可以将多个填充插入件成形为近似具有在评测过程中所确定的宽度、深度和形状，从而允许根据待修复的缺陷选择某个特定的填充插入件。这样，按照本发明的方法非常适合填充可能在金属合金部件上出现的裂缝、气孔、裂纹和其它的表面孔穴和损伤，而填充插入件的组分则可以被配置为补充待修复部件的组分，从而形成一个结实的、无裂纹的焊接修复。
本发明的其它目标和优点将通过下面的详细叙述说明。
图1示出了按照本发明的评测过程中的一个步骤，通过该步骤测定了一段时间内焊接熔池的扩张状况；图2示出了部件表面上的点缺陷；图3、4、5示出了修复图2中所示缺陷的步骤，即去除缺陷周围中和缺陷的表面材料形成一个预定形状的腔，将相应尺寸的填充插入件放入该腔中，然后进行受控的焊接过程，将插入件和与插入件直接相邻的部件上的一有限部分熔化。
具体实施例方式
图1至图5示出了对如图2所示的具有缺陷的部件10的一系列修复步骤。部件10可以由多种金属合金制成，包括那些相对难于焊接的金属合金，例如用于制造燃气轮机铸件和锻件的镍、钴和铁基超耐热合金。如果部件10是一个铸件，则缺陷12通常为点缺陷，比如陶瓷夹渣(ceramic inclusion)、气孔等等，有时点缺陷也可能被线缺陷所代替。
下面描述本发明的第一个步骤，图1示出了一个被TIG焊机23产生的焊炬22加热的金属合金主体20的表面24，这样就产生了一个焊接熔池26。可以预料的是，金属熔池26沿着熔池前缘28随时间从最靠近焊炬22的点逐渐沿径向向外、向下通过主体20扩展。焊接熔池26的最终的尺寸和形状在焊炬22息弧后达到最远的熔池前缘28。为了评测的目的，随着时间的流逝，熔池前缘28的进展以及随之而来的熔池26的尺寸(宽度和深度)和形状的变化，以所使用的焊接参数的形式被记录下来。按照不同类型的焊接技术，这些焊接参数可以包括焊接电流、任何焊剂的使用、焊炬22相对于表面24的位置等等本领域的技术人员所知的焊接参数。
主体20优选采用与待修复的部件10相同的合金制成，原因将通过下面的讨论说明，主体20也可以由不同的材料制成，只要在相似的焊接条件下(图4)，焊接熔池前缘28按照与焊接熔池前缘38通过部件10的扩展相似的方式通过主体20的扩展。这样，这里所说的“相同的合金”也包括那些在组分和微观结构上充分相似并从而具有近似焊接属性的合金。
如果主体20具有各向同性的性质，熔池26和熔池前缘28通常在主体20的表面24具有圆形形状。依据所采用的焊接技术，熔池26和熔池前缘28还可以为半球形状，虽然在修复许多表面缺陷时通常需要更大的纵横比(深度比宽度)，例如图2所示的缺陷12。因此虽然许多不同焊接技术都可以用于本发明，但是电子束和激光焊接技术更适用于修复具有更大纵横比的缺陷。在可以采用手工焊接的条件下，可以使用TIG和PTA焊接技术。随着有机焊剂的发展，TIG焊所形成的熔池的纵横比(深度比宽度)可以达到300％，这使得TIG焊适合于修复许多种类型的缺陷。如图1所示的TIG焊接技术，电弧最好由面板模式(panel mode)的TIG焊机启动，之后电弧电流保持恒定。
金相试片是一种用于观测熔池前缘28和熔池26尺寸进展的合适技术。通过图1所示的评测，可以建立起一个数据库，其中的熔池26的尺寸和形状可通过多段焊接时间内的所采用焊接技术和参数的形式被记录，而且熔池26的尺寸和形状以及与其相对应的焊接时间被编目记录。采用相同的技术，这个数据库可以扩展为针对多种不同合金、焊接技术和参数，与焊接时间相对应的熔池的尺寸和形状的数据库。
图2中，部件10上围绕缺陷12的表面区域16被标示出来。为了使其包括整个缺陷12，如边界线18所示的表面区域16的尺寸和形状几乎与图1中最远的熔池前缘28处的焊接熔池26相同。被标示的表面区域16被去除，从而使缺陷12从部件10的表面14去除，形成一个如图3所示的腔。可以采用许多种不同的技术将表面区域16去除，包括采用装配有镶硬质合金刀具的气动工具粗制出腔32，再通过使用精密的刀具使得腔32的尺寸(宽度和深度)及形状严格地对应于表面区域16，从而几乎与图1中最远程度的焊接熔池26相同。如图3所示的焊接过程的准备中，部件10的表面14和腔32的表面最好经过表面处理，以去除可能妨碍焊接过程的任何表面氧化物和其它表面杂质。
图3示出了将填充插入件30放入在部件10表面14上形成的腔32中。如图所示，插入件30比腔32略小。例如，插入件30的尺寸使得在插入件30的外表面34和腔32之间具有约为插入件30直径的1-5％的径向间隔，以便将插入件30放入腔32中。按照本发明，插入件30的合适材料包括那些机械和热性能与部件10所采用的材料同等的合金，例如，如果部件10为镍基超耐热合金，则插入件为镍基合金。这样，插入件30可以被视为由与部件10所采用的金属合金相同的材料制成，其中只要采用相似的焊接条件，焊接熔池前缘38(图4)通过插入件30的扩展与在评测过程中焊接熔池前缘28的扩展相似。在优选实施例中，插入件30被改进为具有更好的延展性并具有比部件10所用合金更低的熔点。由现有技术所知，为了达到这一目的，合适的合金成分包括硼和硅。
图4示出了通过在与在图1中所示的评测过程中所采用的参数相同的参数下操纵焊炬42来加热插入件，从而将插入件30焊接到部件10上。为了保证在更大的可变条件下焊炬42相对于部件表面14恒定放置，如图所示，TIG焊机43被一个刚性支架44所支撑。如图1所示的主体20，焊接熔池前缘38从最接近于焊炬42的点通过插入件30向外扩展，从而焊接熔池36在插入件30上不断发展。根据在对主体20评测过程中所得到的数据，在从焊接过程开始计时的基础上，任何给定时间的焊接熔池前缘38的尺寸和形状都可以被精确的预测。而且，由于已知插入件30的尺寸，所以焊接熔池前缘38到达插入件30外表面34的时间也可以被精确的预测。另外，由于插入件30的尺寸和形状、焊炬42的放置与图1中所示的熔池26的尺寸和形状及焊炬的放置相一致，所以焊接操作使熔池前缘38几乎同时达到插入件30的整个外表面34。
如图5所示按照本发明的一个优选方面，熔池前缘38可以深入腔32的表面扩展到大致均匀的深度，也就是熔池36不仅包括插入件30，而且扩展到部件10的腔表面以下的有限的部分40，因此在插入件30和部件10之间形成冶金连接。为了达到这个目的，焊炬42的作用时间可以超过形成图1所示的熔池26所需时间一个非常有限的时间，使得在部件10上发生微小的熔化，因此在部件10和插入件30之间发生微小的混合。通过最小化的混合，在焊接冷却过程中产生裂纹和后来的应变时效裂纹的可能性大大减小。
在焊接操作后，允许将部件10按照已知的方法冷却以进一步降低焊接导致裂纹的危险。按照传统的方法，部件10可以进行焊后热处理，以使在部件10上邻近插入件30的位置发展的热影响区域(HAZ)得到回火，所述热影响区域此时已经成为焊缝，包括在焊接过程中熔化的部件10上的部分40。最后，还可以按照需要，采用任何合适的技术对部件10的表面14进行调整，去除任何多余的填充材料和任何焊接残留的表面杂质。
通过上文所述可知，按照本发明的修复方法，有益于通过单独地评测合金来发展一个关于插入件的大型编目，所述插入件用于修复不同种类合金和不同尺寸的缺陷，从而将多个熔池的宽度、深度和形状与多个焊接时间联系起来，并且可以随意选择用于不同的焊接技术和参数。基于这个数据，填充插入件可以被成形为具有大致相同的宽度、深度和形状，这些宽度、深度和形状由焊接时间标识并与其相联系，这样可以从一个基于待修复合金种类、合金上缺陷尺寸和所采用焊接技术的插入件分类中选择一个特别的填充插入件。因为按照本发明的焊接修复方法最小化了部件的母材合金与插入件的混合，所以混合所造成的不良效果被减弱，潜在地允许采用许多种填充材料来制造插入件，包括那些相对不能与待修复合金和谐共存的合金。
上文参照优选实施例详细描述了本发明，本领域技术人员显然可以据此作出其它的改变。因此本发明的范围通过下面的权利要求来限定。
权利要求
1.一种焊接修复方法，包括下述步骤确定在由金属合金制成的主体(20)的表面(24)中焊接熔池(26)随时间的发展状况，将熔池宽度、深度和形状与时间相联系形成一套焊接参数；去除由金属合金制成的部件(10)的表面(14)中的缺陷(12)，该合金可以与主体(20)的金属合金相同也可以不同，其中去除缺陷(12)的步骤在表面(14)中形成了一个腔(32)，该腔的宽度、深度和形状与在确定步骤中与一个时间段相关联的熔池的宽度、深度和形状基本相同；将填充插入件(30)放入腔(32)中，该填充插入件具有与腔(32)近似相同的宽度、深度和形状，使得填充插入件(30)的外表面(34)与腔(32)的表面并置；采用所述一套焊接参数、以确定步骤中相关联的所述时间段加热填充插入件(30)，从而熔化该填充插入件(30)，并形成填充所述腔(32)的冶金连接焊接修复。
2.如权利要求1所述的焊接修复方法，其特征在于在加热步骤中，熔池前缘(38)通过填充插入件(30)向该填充插入件(30)的外表面(34)扩展，并基本同时到达填充插入件(30)的整个外表面(34)。
3.如权利要求1或2所述的焊接修复方法，其特征在于在加热步骤中，使部件(10)位于腔(32)表面下面的部分(40)也熔化，该部分(40)具有大致统一的厚度。
4.如权利要求1所述的焊接修复方法，其特征在于确定和加热步骤利用弧焊机(23，43)或高能束完成。
5.如权利要求1所述的焊接修复方法，其特征在于部件(10)所采用的合金为超耐热合金。
6.如权利要求1所述的焊接修复方法，其特征在于确定步骤包括将多个熔池宽度、深度和形状与多个时间段相联系，形成所述成套的焊接参数。
7.如权利要求6所述的焊接修复方法，其特征在于所述填充插入件(30)是多个填充插入件(30)中的一个，这些填充插入件的宽度、深度和形状与成套的焊接参数中的多个熔池宽度、深度和形状大约相同，该方法还包括从多个填充插入件(30)中选取填充插入件(30)的步骤。
8.如权利要求1所述的焊接修复方法，其特征在于所述填充插入件(30)由第二合金制成，该合金具有比制成部件(10)的合金更大的延展性和/或比制成部件(10)的合金更低的熔点。
9.如权利要求1所述的焊接修复方法，其特征在于所述确定步骤包括确定多种金属合金的焊接熔池(26)随时间的发展状况，以将多种合金的熔池宽度、深度和形状与时间联系起来形成多套焊接参数。
10.如权利要求1所述的焊接修复方法，其特征在于金属合金部件(10)为超耐热合金制成的燃气轮机部件，该部件为铸件或锻件。
全文摘要
一种修复金属合金部件(10)的方法，以及采用该方法所修复的部件(10)。该方法包括机加工部件表面(14)以去除其缺陷(12)，之后将填充插入件(30)放入所得到的表面腔(32)中，该插入件的尺寸和形状是预定的，使得焊接的过程既可以将插入件(30)完全熔化，又可以最小化直接围绕插入件(30)的部件(10)的熔化。这样，就最小化了发生在插入件(30)和部件(10)之间的材料混合，从而减小了伴随焊接过程产生裂纹的危险。
文档编号B23K9/167GK1517171SQ20041000509
公开日2004年8月4日 申请日期2004年1月9日 优先权日2003年1月9日
发明者约翰·T·墨菲, 约翰 T 墨菲 申请人:通用电气公司