专利名称：具有受调节的温度分布的焊接方法以及用于此的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种部件的焊接方法以及一种用于此的装置。
背景技术：
经常使用焊接方法将部件相互连接或者再熔化裂纹或者说施加材料。如此，也借助于焊接方法、尤其激光方法修复燃气涡轮机的部件、例如涡轮机叶 片，其中所述部件甚至可以具有定向凝固的结构(DS，SX)。在此，熔化基底的材料或者基底 和接合的焊接物的材料。然而这总会导致焊缝中的裂纹。
发明内容
因此，本发明的任务是克服上面所述的问题。该任务通过按权利要求1所述的方法以及按权利要求12所述的装置得到解决，在 所述方法中根据温度调节功率。在从属权利要求中列出了其它有利的措施，所述措施能够任意地相互组合，从而 实现其它优点。
附图示出图1是按本发明的装置，图2是温度和功率的分布，图3是燃气涡轮机，图4是涡轮机叶片的透视图，图5是燃烧室的透视图，以及图6是超合金的列表。附图以及描述仅仅示出了本发明的实施例。
具体实施例方式图1示出了部件4，该部件尤其是燃气涡轮机100 (图3)的部件120、130、155 (图 4、5)。优选所述部件4、120、130、155具有按图6的超合金。所述部件4、120、130、155布置在装置30的容纳部31中，其中该装置30具有焊接 仪器33以及温度测量仪器35。该装置30优选具有激光器33或者电子束枪，借助于该电子 束枪局部地在区域41中照射所述部件4、120、130、155，从而焊接该部件。所述部件4和/或所述焊接仪器33彼此相对移动，从而产生焊缝43。焊接仪器 33照射部件4、120、130、155的区域41并且在那里产生熔斑。被照射的区域41在部件4、 120、130、155上移动，从而沿着移动方向一再产生或者说移动熔斑，该熔斑在移动结束时产生焊缝43 (虚线示出)。有待焊接也就是被照射的区域41的温度T由温度测量仪器35进行测量并且通过相应的机构38例如电子连接、计算机、控制装置传输给焊接仪器33。图2示出了焊接过程中的温度分布。描绘了被照射的区域41的温度T[K]以及焊接仪器33的功率P[W]。有待焊接的区域41的温度T 一开始从零开始升高，其中焊接仪器33的功率P提 高了。在此，所述部件或者所述焊接仪器优选已经直接在功率P提高时彼此相对移动。优 选在移动一开始调节所述温度T，尤其恒定地提高该温度。优选在达到恒定的温度尤其最大温度Tmax之后，优选还如此调节焊接仪器33的功 率P，从而在移动时间At期间优选出现恒定的温度。在移动时间At期间形成了焊缝43。在移动结束时，当施加焊缝43或者再熔化所述部件4的材料时，尤其通过下调功 率P使温度T下降。尤其调节温度T使其变低，尤其恒定地变低，从而避免裂纹。在此，优选将激光器功率P降低到0瓦。在降低功率P期间优选使部件和激光器 继续相对移动，优选直到P = Off0在图2中用实线示出了部件4的被照射的斑41的温度T并且用虚线示出了为此 调节的激光器功率P。将温度T恒定地保持在确定的温度、尤其提高到Tmax，并且在特定的时间Δ t之后 再降低温度。保持温度Tmax特定的持续时间At，而部件4和/或焊接仪器33进行移动。如 此调节所述激光器功率P，从而在持续时间Δ t期间达到恒定的温度T，使得激光器33的功 率P—开始剧烈提高、然后再下降，然而在时间At期间也优选再下降。温度T是恒定的， 然而功率P是改变的，优选功率略微下降，尤其至少直至移动时间At的一半。在移动一开始，焊接仪器33的功率P优选是在受调节的温度分布T (t)期间最高 的，从而降低焊缝43内部或者说凝固的焊接物内部以及部件4的冷的以及固体的基底内部 的热应力，使得部件4、120、130、155和焊缝43在焊接之后不再具有裂纹。借助于温度测量仪器35、尤其高温计来控制激光器33的功率。尤其涉及没有焊接填料的焊接方法，然而也可以用焊接填料进行工作。所述装置30可以具有工艺室(没有示出)，从而可以在工艺室中调节真空或者惰 性气体气氛。图3示例性地示出了燃气涡轮机100的部分纵剖图。燃气涡轮机100在内部具有围绕旋转轴线102得到旋转支承的具有轴的转子103， 该转子也称为涡轮机转子。沿着转子103先后跟随着进气壳体104、压缩机105、例如环面状的燃烧室110尤 其环形燃烧室连同多个同轴布置的燃烧器107、涡轮机108以及排气壳体109。所述环形燃烧室110与例如环形的热气通道111相通。在那里，例如四个前后连 接的涡轮机级112形成了涡轮机108。每个涡轮机级112例如由两个叶片环形成。沿着工作介质113的流动方向看，在 热气通道111中，由转子叶片120形成的组125跟随着导向叶片组115。在此，导向叶片130固定在定子143的内部壳体138上，相反，组125的转子叶片 120例如借助于涡轮叶轮盘133安置在转子103上。
发电机或者工作机器(没有示出)联结在转子103上。在燃气涡轮机100运行期间，由压缩机105通过进气壳体104吸入并且压缩空气 135。在压缩机105的涡轮机侧的端部提供的压缩的空气通向燃烧器107并且在那里与燃 烧剂混合。然后，该混合物在形成工作介质113的情况下在燃烧室110中燃烧。从那里出 发，工作介质113沿着热气通道111流过导向叶片130以及转子叶片120。工作介质113在 转子叶片120上传递脉冲地膨胀，使得转子叶片120驱动转子103并且该转子驱动联结在 其上的工作机器。暴露在热的工作介质113下的部件在燃气涡轮机100运行期间处于热载荷下。除 了给环形燃烧室110加衬的隔热元件之外，沿着工作介质113的流动方向看的第一涡轮机 级112的导向叶片130和转子叶片120经受最多的热载荷。 为了经受住那里存在的温度，可以借助于冷却剂将其冷却。所述部件的基底同样可以具有定向结构，也就是说所述基底是单晶结构(SX结 构)，或者仅仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。作为用于所述部件的材料、尤其用于涡轮机叶片120、130和燃烧室110的部件的
材料，例如使用铁基、镍基或者钴基的超合金。这种超合金例如由EP 1204776BUEP 1306454,EP 1319729AUW0 99/67435 或者 WO 00/44949公开；这些文件在合金的化学成分方面是本公开文件的一部分。所述导向叶片130具有面对涡轮机108的内部壳体138的导向叶根(这里没有示 出)以及与导向叶根对置的导向叶片顶部。该导向叶片顶部面对转子103并且固定在定子 143的固定环140上。图4以透视图示出了流体机械的转子叶片120或导向叶片130，该转子叶片或者导 向叶片沿着纵轴线121延伸。该流体机械可以是飞机的或者用于发电的发电厂的燃气涡轮机、蒸汽涡轮机或者 压缩机。所述叶片120、130沿着纵轴线121先后跟随着固定区域400、邻接的叶片平台403 以及叶身406和叶尖415。作为导向叶片130，该叶片130在其叶尖415上可以具有另一平台(没有示出)。在固定区域400中形成了叶根183，该叶根用于将转子叶片120、130固定在轴上或 者盘上(没有示出)。例如将叶根183设计成锤头。其它作为揪树叶根或者燕尾叶根的设计方案也是可 以的。所述叶片120、130对于流过叶身406的介质具有流入边缘409和流出边缘412。在常规的叶片120、130中，在叶片120、130的所有区域400、403、406中例如使用
实心的金属材料、尤其超合金。这种超合金例如由EP 1204776BUEP 1306454,EP 1319729AUW0 99/67435 或者 WO 00/44949公开；这些文件在合金的化学成分方面是本公开文件的一部分。在此，所述叶片120、130可以通过铸造方法、也借助于定向凝固、通过锻造方法、 通过铣削方法或者这些方法的组合制成。具有单晶结构的工件用作机器的部件，所述部件在运行中暴露在高的机械、热和/或化学载荷之下。例如通过由熔液的定向凝固来制造这种单晶的工件。在此涉及铸造方法，其中将 液态的金属合金定向凝固成单晶结构，也就是定向凝固成单晶的工件。在此，枝状的晶体沿着热流定向，并且要么形成杆状晶的晶粒结构(柱状晶，也就 是在工件的整个长度上延伸的并且在这里根据普通的语言惯用语称为定向凝固的晶粒) 要么形成单晶的结构，也就是整个工件由一个唯一的晶体构成。在这种方法中必须避免过 渡到球状晶的(多晶的)凝固，因为通过非定向的生长必然形成横向和纵向的晶界，这些晶 界使得定向凝固的或者单晶的部件的良好特性遗失殆尽。如果通常谈及定向凝固的组织，那么以此不仅是指没有晶界或者最多具有小角 度晶界的单晶体，而且是指具有可能沿纵向延伸的晶界、但是没有横向晶界的杆状晶结 构。这两种提到的晶体结构人们也称为定向凝固的组织(directionally solidified structured)。这种方法由US-PS 6，024, 792以及EP 0892090A1公开；这些文件在凝固方法方面 是本公开文件的一部分。所述叶片120、130同样可以具有抗腐蚀或抗氧化的涂层，例如(MCrAlX ;M是 铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)组中的至少一种元素，X是活性元素并且表示钇(Y)和/或硅 和/或至少一种稀土元素或者说铪(Hf))。这种合金由EP 0486489BU EP 0786017B1、 EP0412397B1或者EP 1306454A1公开，这些文件在合金的化学成分方面应该是本公开文件 的一部分。密度优选是理论密度的95%。在MCrAlX层(作为中间层或者最外面的层)上形成了保护性的氧化铝层(TGO = 热生长氧化层)。优选所述层成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y_0.7Si或者 Co-28Ni-24Cr-10Al-0. 6Y。除了所述钴基的保护涂层之外，也优选使用镍基的 保护层，例如 Ni-10Cr-12Al-0. 6Y-3Re 或者 Ni-12Co-21Cr-llAl_0. 4Y_2Re 或者 Ni-25Co-17Cr-10Al-0. 4Y-1. 5Re。在MCrAlX上还可以存在隔热层，该隔热层优选是最外面的层并且例如由&02、 Y2O3-ZrO2制成，也就是说该隔热层不是部分或者完全地通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧 化镁来稳定。所述隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过合适的涂层方法例如电子束气相沉积 (EB-PVD)在隔热层中产生杆状晶粒。可以考虑其它涂层方法，例如大气等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或者CVD。所述隔 热层可以具有多孔的、带有微观裂纹或者宏观裂纹的晶粒用于更好地抵抗热冲击。因此，该 隔热层优选比MCrAlX层更多孔。所述叶片120、130可以构造成空心的或者实心的。如果要冷却所述叶片120、130， 那么该叶片是空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418 (虚线示出)。图5示出了燃气涡轮机100的燃烧室110。该燃烧室110例如构造成所谓的环形 燃烧室，在该燃烧室中大量沿周向围绕旋转轴线102布置的燃烧器107通入共同的燃烧室 空间154中，产生火焰156。为此，燃烧室110整体构造成环形的结构，该结构围绕旋转轴线 102进行定位。
为了获得比较高的效率，所述燃烧室110设计用于工作介质M的较高的从大约 1000°C到1600°C的温度。为了在这种对于材料来说不利的工作参数下也能实现较长的使用 寿命，燃烧室壁153在其面对工作介质M的一侧设有由隔热元件155形成的内衬板。此外，由于燃烧室110内部的高的温度，可以为隔热元件155或者说为其保持元件 设置冷却系统。这样，所述隔热元件155例如是空心的并且必要时还具有通入燃烧室空间 154的冷却孔(没有示出)。每个由合金制成的隔热元件155在工作介质侧设有特别耐热的保护层(MCrAlX层 和/或陶瓷涂层)或者由耐高温的材料(实心的陶瓷砖)制成。所述保护层可以类似于涡轮机叶片，也就是例如意味着MCrAlX =M是铁(Fe)、钴 (Co)、镍(Ni)组中的至少一种元素，X是活性元素并且代表钇(Y)和/或硅和/或至少一 种稀土元素或者说铪(Hf)。这种合金由EP 0486489BUEP 0786017BUEP 0412397B1或者 EP 1306454A1公开，这些文件在合金的化学成分方面应该是本公开文件的一部分。在MCrAlX上还可以存在例如陶瓷的隔热层，并且该隔热层例如由&02、Y2O3-ZrO2 制成，也就是说该隔热层不是部分或者完全地通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁来稳 定。通过合适的涂层方法例如电子束气相沉积(EB-PVD)在隔热层中产生杆状晶粒。可以考虑其它涂层方法，例如大气等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或者CVD。所述隔 热层可以具有多孔的、带有微观裂纹或者宏观裂纹的晶粒用于更好地抵抗热冲击。再加工(翻新)是指，所述涡轮机叶片120、130、隔热元件155在其使用之后必要时必须除去保护层(例如通过喷砂)。随后去除腐蚀层和/或氧化层或者说腐蚀产物和/ 或氧化产物。必要时也还要修复涡轮机叶片120、130中的或者隔热元件155中的裂纹。随 后重新对涡轮机叶片120、130、隔热元件155进行涂层并且重新使用涡轮机叶片120、130或 隔热元件155。
权利要求
用于借助于焊接仪器(33)来焊接部件(4、120、130、155)的方法，该焊接仪器照射所述部件(4、120、130、155)的区域(41)，其中，根据所述部件(4、120、130、155)的被照射的区域(41)的温度(T)来调节所述焊接仪器(33)的功率(P)。
2.按权利要求1所述的方法，其中，在焊接一开始调节被照射的区域(41)的温度(T) 使之升高，尤其恒定地升高。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中，所述焊接仪器(33)和所述部件(4、120、130、 155)彼此相对移动，其中，在开始阶段之后所述焊接仪器(33)的功率(P)在移动时调节到 被照射的区域(41)的恒定的温度(T)，尤其调节到被照射的区域(41)的最大温度(Tmax)。
4.按权利要求3所述的方法，其中，所述恒定的温度被保持移动时间(At)。
5.按权利要求1、2、3或4所述的方法，其中，在用于焊接的移动结束时调节被照射的区 域(41)的温度⑴使之降低，尤其恒定地降低。
6.按权利要求1或5所述的方法，其中，在用于焊接的移动结束时将所述焊接仪器 (33)的功率⑵降低到零。
7.按权利要求1、3或6所述的方法，其中，使用激光焊接仪器(33)。
8.按权利要求1或7所述的方法，其中，使用温度测量仪器(35)，用于测量所述被照射 的区域(41)的温度，由此调节所述焊接仪器(33)的功率(P)。
9.按权利要求1所述的方法，其中，所述被照射的区域(41)是熔化的区域。
10.按权利要求1或4所述的方法，其中，在所述移动一开始所述焊接仪器(33)的功率 是最高的。
11.按权利要求4或10所述的方法，其中，所述焊接仪器(33)的功率(P)至少直至移 动时间(ΔΟ的一半持续下降。
12.按权利要求11所述的方法，其中，所述部件(4)或者所述焊接仪器(33)已经直接 在功率(P)提高时彼此相对移动。
13.按权利要求11所述的方法，其中，所述部件(4)或者所述焊接仪器(33)还在功率 (P)下降时彼此相对移动。
14.装置(30)，尤其用于实施按权利要求1到11中任一项所述的方法，该装置具有带 有功率调节的焊接仪器(33)、用于有待焊接的部件(4、120、130、155)的容纳部、温度测量 仪器(35)以及调节器，该调节器将由所述焊接仪器(33)照射的区域(41)的温度⑴用作 用于调节所述焊接仪器(33)的功率的影响参数。
15.按权利要求14所述的装置，该装置具有激光焊接仪器(33)。
16.按权利要求14或15所述的装置，其中，设置了机构(38)，该机构能够处理所述温 度测量仪器(35)的信息或者说将信息传输给所述焊接仪器(33)。
全文摘要
本发明涉及一种焊接方法，其中根据焊接位置的温度(T)调节功率(P)。
文档编号B23K26/03GK101990477SQ200980112602
公开日2011年3月23日 申请日期2009年2月18日 优先权日2008年4月10日
发明者B·布尔鲍姆, N·皮克, S·莫卡德姆 申请人:西门子公司;弗劳恩霍弗实用研究促进协会