专利名称：用于较大结构的焊接工艺的制作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及焊接方法。更特定而言，本发明涉及一种焊接工艺，其适合于焊接很大柱形区段，例如，风力涡轮的柱形塔架区段，同时克服了在厚壁区段中产生焊接所常常遇到的困难，诸如缺陷、变形和有害的热影响区(HAZ)。
背景技术：
很大结构的焊接带来多种挑战性问题。图I表示了风力涡轮10作为很大焊接结构的特定实例。该风力涡轮10包括转子叶片组件12，其包括从轮毂16径向延伸的多个叶片14。轮毂16通常安装于主轴(未图示)上，主轴形成连接到发电机的传动系的部分。主轴、传动系和发电机全都容纳于在塔架22上安装的机舱20内。取决于涡轮10的尺寸，塔 架22能很大，常常超过十英尺(三米)直径。由于其高度，塔架22常常由壁厚常常为一厘米或更大的多个柱形区段构成。然后，柱形区段端对端焊接在一起且由于其很大直径，需要很长的周向焊接。利用诸如气体金属弧焊(GMAW;也被称作金属惰性气体(MIG)焊接)和埋弧焊(SAW)的弧焊工艺对这样的厚区段进行焊接可导致焊接中更多的缺陷，诸如缺少熔合，多孔性和甚至裂纹，其能显著地减弱塔架22。当若干较大柱形区段必须联结在一起以形成塔架22时，变形也是显著问题。诸如惯性焊接和搅拌摩擦焊接(FSW)的固态焊接技术提供优于常规熔(弧)焊工艺的各种优点，这是由于相对较低温度的冶金联结(metallurgical join)工艺。FSW涉及施加很大轴向力以将旋转工具插入到待焊接的接头区内且随着工具旋转，缓慢地造成工具沿着接头行进以造成接头任一侧上的金属摩擦加热和塑化。基本上，通过“搅拌”热塑化金属来形成焊接区，该热塑化金属在工具后方重新结合以形成固态焊接而不会熔化金属。由于以下事实而得到固态焊接的某些优点这些技术无需填充金属或保护气体，填充金属或保护气体为弧焊工艺通常需要的。而且，由于被焊接的基体金属并不在固态焊接期间熔化，故不在焊接接头内发生基体金属的重新凝固。因此，固态焊接可在基本上任何环境中产生焊接接头，且接头无缺陷且具有与基体金属的性质和结构实质上相同的性质和结构。焊接接头也通常无变形，且如果该工艺保留在适当操作参数内易于避免缺陷。尽管FSW提供如上文所述的某些益处，但当试图焊接具有很厚壁区段的很大结构(如风力涡轮塔架的情况)时，仍面临挑战。举例而言，厚壁区段带来在旋转工具的焊接穿透深度方面的挑战。而且，对准以进行焊接的塔架区段常常在区段的结合表面之间具有显著间隙，这是由于公差和区段的很大尺寸。当对周向接头执行FSW时遇到的另一问题在于，在焊接端部处抽出工具时倾向于形成离开孔(exit hole)，这是因为搅拌材料在工具后方重新结合且并不“填充”由工具占用的空间。鉴于上文所述，将是合乎需要的是，固态焊接技术且特别地FSW能适于焊接风力涡轮的柱形塔架区段和其它很大结构。这种能力可允许更小的硬件运输到安装现场，因为FSW特别适合于能在安装现场组装和焊接硬件。因此，将塔架区段在现场焊接在一起能使得与运输较大已焊接组件到风力涡轮安装现场相关联的物流问题简易。
发明内容
本发明提供一种焊接方法，其利用FSW技术来焊接较大结构，例如风力涡轮的很大柱形塔架区段，原本难以在不造成缺陷、变形和多孔性水平的情况下使用常规弧焊技术来焊接这样的较大结构。根据本发明的一方面，该方法涉及通过冶金联结工件的结合表面而将至少两个工件焊接在一起。将工件放置在一起使得其结合表面彼此朝向，且接头区域由结合表面限定且在结合表面之间限定。然后通过以下步骤将工件搅拌摩擦焊接在一起迫使工具进入接头区域内；使工具绕其轴线旋转以使工具穿透接头区域且经由摩擦接触来加热结合表面；并且使工具沿着接头区域行进以形成焊接接头，焊接接头冶金联结这些结合表面且产生包括工件的焊接组件。通过使工具行进到位于接头区域上的楔形体来从接头区域抽出该工具。该楔形体优选地被定位成产生焊接接头重叠，且优选地构造成使工具完全从接头区域 抽出，而不会造成在焊接接头中的离开孔。根据本发明的另一方面，该方法用于制造风力涡轮塔架。该方法涉及将两个柱形区段放置在一起使得柱形区段彼此轴向邻靠，柱形区段的结合表面彼此朝向，且接头区域由结合表面限定且在结合表面之间限定，结合表面绕柱形区段周向地延伸且在柱形区段之间延伸。接头区域具有大于一厘米的厚度且在结合表面之间包括多达大约两毫米的间隙。利用背衬部件支承柱形区段使得柱形区段在背衬部件与搅拌摩擦焊接工具之间，搅拌摩擦焊接工具包括肩部和探头，探头在工具的轴向上从肩部突伸。然后柱形区段经历搅拌摩擦焊接来将柱形区段焊接在一起而不熔化结合表面。该搅拌摩擦焊接步骤包括迫使搅拌摩擦焊接工具的探头在接头区域的周向部位处进入接头区域内；使搅拌摩擦焊接工具绕其轴线旋转以使搅拌摩擦焊接工具穿透接头区域；并且使搅拌摩擦焊接工具沿着接头区域行进以形成焊接接头，焊接接头冶金联结这些结合表面且产生包括柱形区段的焊接组件。本发明的技术效果为能使用FSW技术来排除在焊接很大且厚区段(如风力涡轮的柱形塔架区段的情况)时常常遇到的各种焊接品质问题。可采用FSW技术，以单次产生深穿透焊接，且能在无需弧焊技术通常需要的填充金属和保护气体的情况下来执行。由于在执行FSW工艺中所涉及的设备类型，焊接能在施工现场执行，这允许风力涡轮塔架的大直径柱形区段能单独地装运到安装现场，可能以一半或四分之一区段，从而极大地简化了运输。与本发明的FSW技术相关联的优点也适用于构建很多种其它结构，包括但不限于在发电、航空、基础设施、医疗和工业应用中所采用的结构。通过下文的发明详述，本发明的其它方面和优点将会更好地理解。
图I示意性地表示风力涡轮，它的塔架能使用本发明的FSW工艺构建。图2和图3示意性地表示根据本发明的实施例的FSW工艺。图4表示在本发明的FSW工艺中可使用的类型的FSW工具。图5示意性地表示根据本发明的另一实施例使用楔形体来避免形成离开孔。部件清单10 涡轮
12组件14叶片16轮毂20机舱22塔架30工件32工件34表面 36接头36A部分38表面40工具42区域44间隙46材料48工具50肩部52探头
具体实施例方式图2和图3示意性地表示FSW工艺，其适用于冶金联结需要在例如一厘米或更厚的相对较厚区段处焊接的很大结构。作为非限制性实例，在图I的风力涡轮塔架22的较大柱形区段的典型情况下，常常会遇到十一至二十二毫米的厚度。FSW工艺也适合于制造用于发电应用的各种其它构件，以及计划用于很多种其它应用的构件，包括航空、基础设施、医疗、工业应用等。FSff工艺优选地产生深穿透焊接接头，其能够不具有缺陷、变形和有害热影响区(HAZ)。图2和图3表示在利用根据本发明实施例的FSW工艺焊接一对工件30和32期间执行的两个步骤。工件30和32可为铸件，锻件或粉末冶金形式，且可由多种材料形成，它的非限制性实例包括镍基合金、铁基合金和钴基合金。举例而言，诸如A572的锻钢合金通常用于构建图I所表示类型的风力涡轮塔架。工件30和32具有由焊接接头36 (图3)冶金联结的结合表面34。在图2和图3中，结合表面34限定对接接头，从生产成本的观点而言，其为合乎需要的，特别是在焊接很大工件30和32时。但是，也可预见到使用其它接头构造。结合表面34与工件30和32的相对安置的表面38和40相邻接，在它们之间限定每个工件30和32的贯通厚度。在图2中，工件30和32示出为放置在一起，使得它们的结合表面34彼此朝向，且接头区域42被确定为由结合表面34限定且在结合表面34之间限定。在工件30和32为塔架22的较大柱形区段的情况下，结合表面34限定于工件30和32的轴向端部且在准备焊接时彼此邻靠，使得接头区域42和所得到的焊接接头36绕工件30和32周向延伸。由于工件30和32的较大尺寸，接头区域42还表示为在结合表面34之间限定间隙44，这是由于实际上不能将工件30和32制造成使得它们的结合表面34完好地配合在一起而造成。对于塔架22的柱形区段，这样的间隙44可为大约二毫米或在某些部位更大。图2和图3还示出了至少在接头区域42紧邻下方的区域中放置于工件30和32下方的背衬材料46。背衬材料46用于在焊接操作期间支承工件30和32，特别是当工件30和32经受使用FSW方法冶金联结工件30和32通常所需的很大力时。背衬材料46能由很多种材料形成且具有各种结构，且将不在此处展开任何进一步详细讨论。根据本发明的特定方面，虽然当试图使用常规电弧焊方法时大约两毫米的接头间隙和大约一厘米或更多的接头厚度(垂直于表面38和40)带来特定挑战，但是本发明通过改进FSW工艺来克服这样的问题，其一个实施例在图2和图3中表示。图2、图3和图4表示用于执行FSW工艺的工具48的实例。工具48表示为具有大体柱形形状，其限定工具肩部50和探头52，探头52从限定肩部50的工具48的端部突伸。探头52通常具有截头锥体形状，在其远端的最小直径为在探头52的基部(邻近肩部50)的其最大直径的三分之一。如从图2和图3显然，旋转探头42适于强制插入于工件30与32之间的接头区域42内。由于探头52的轴向长度影响焊接接头36的最大穿透深度，故最佳探头长度将取决于特定应 用。认为对厚度在i^一与二十二毫米之间的工件30和32所执行的FSW工艺的优选轴向长度在大约10. 5毫米至大约21. 6毫米的范围。肩部50在图2和图3中表示为在FSW工艺期间邻靠工件30和32的相邻表面38，从而用于向焊接接头区域提供额外摩擦热。在图5的实施例中，肩部50由两个环形台阶表面限定，两个环形台阶表面一起在工具40的端部处限定直径的大致四分之一至三分之一，使得探头52的基部占该直径的大致三分之二或四分之三。从上文显然，在图2和图3描绘的FSW工艺期间，肩部50接合工件30和32的两个表面38且探头52穿透接头区域42。因此，工具48或至少其肩部50和探头52优选地由高强度和耐磨损材料形成。明显的实例包括钨-铼合金，其能在焊接厚钢区段时提供工具48的长寿命。工具48的合适直径将取决于特定应用，但认为在焊接由钢合金形成且具有一厘米或更大壁厚的风力涡轮塔架的柱形区段时至少35毫米的直径是优选的。由于通过FSW工艺冶金联结厚工件中所需的高力和摩擦，工具48能利用流体冷却剂在内部冷却，流体冷却剂在内部流过在工具48内的通路(未图示)。此外，工件30和32的表面38也可在FSW工艺期间利用流动的流体冷却剂冷却，例如，冷却剂以大约I. 5至大约2. 5gpm (每分钟大约6至10升)的速率流动且在埋入工具48后方大约I. 5英寸(大约4cm)处的焊接接头36处导向。如从图2和图3显然，在向工具48施加轴向力“F”且使得工具48绕其轴线旋转时，使工具48沿着接头区域42在方向“D”上行进。图3表示工具48的探头52穿透接头区域42大部分但并非整个厚度，例如整个厚度的大约96 %，但更大和更少穿透也是可能的。施加到工具48上的轴向力和工具48的旋转和行进速度将取决于特定应用且特别是工件30和32的材料和厚度和工具48的材料和尺寸。当焊接由钢合金形成且具有一厘米或更大壁厚的风力涡轮塔架的柱形区段时，合适轴向力通常为大约12，000磅(大约53，000N)或更大，例如大约12，000至大约14，000磅(大约53，000至大约62，000N)，认为合适的旋转速度为大约150至大约160rpm,且认为合适的行进速度为每分钟大约4英寸至大约6英寸(大约10至大约15cm)。最佳操作参数能在无需过度实验的情况下确定。通过在较大铣床或能够生成工具48穿透接头区域42、在接头区域42内旋转且沿着接头区域42行进所需的轴向力和扭矩的其它合适设备中安装工具48，能实现工具48相对于工件30和32的运动和控制。在图2和图3中表示的FSW工艺并不需要任何填充金属且因此整个焊接接头36由工件30和32的材料形成，且更特别地由在结合表面34处和结合表面34附近的材料形成。在图2和图3中所表示的FSW工艺也并不需要使用保护气体，因为经历焊接的材料从不熔化。但是，能够设想到补充材料能合并到焊接接头36内和/或保护气体能用于进一步提高焊接性质。然而，这样做可能降低FSW工艺相对于常规弧焊工艺所具有的优点。如在本领域中已知的，在工具48完成焊接操作而抽出时，FSW工艺倾向于在焊接接头36中形成离开孔。在图5所表示的本发明的特定实施例中，通过在接头区域42上放置楔形体54来避免工具48形成离开孔的倾向。楔形体54在图5中示出覆在焊接接头36的部分36A (其在FSW工艺开始时，例如在焊接两个柱形区段时形成)上，使得接头区域42和所形成的焊接接头36由于工件30和32的柱形形状而都为环形。通过将楔形体54放置 于在FSW工艺开始时形成的焊接接头36的周向部位(焊接部分36A)，能使得工具48与焊接接头36的部分36A重叠且随后在完成焊接操作时从焊接接头36抽出，使得焊接接头36绕由焊接工件30和32所形成的所得焊接组件的整个圆周为连续的。楔形体54优选地被构造成使得在工具48在楔形体54上行进时工具48从焊接接头36完全抽出。为此目的，楔形体54的最大厚度优选地等于或大于探头52的轴向长度。为了确保楔形体54的稳定性，合适倾斜(相对于工件30和32的表面38)为至多大约15度，且合适倾斜认为是大约5度至大约15度。由于如图5所表示的，在完成FSW工艺时，工具48通过楔形体54从焊接接头36抽出，故焊接接头36将延伸到楔形体54内，导致楔形体54将焊接到由焊接工件30和32所形成的组件上。在大部分情形下，将需要例如通过加工或磨削从焊接组件移除楔形体54。在图2、图3和图5中所表示的FSW工艺能显著地减少(如果不能排除)在焊接接头36内的缺陷和变形和在焊接接头36周围的工件30和32的材料内的有害HAZ。减少或排除焊接接头36中的缺陷(例如，多孔性)提高了焊接金属性质，其能实现由于循环操作条件(如在风力涡轮塔架的情况下)而经受疲劳的构件的较长寿命。目前，某些风力涡轮塔架被制成具有由SAW所形成的焊接接头，从而需要多次焊接。利用本发明，认为能单次产生等效且可能更佳的焊接接头。尽管参考焊接端对端邻靠的两个柱形工件30和32描述了本发明，但是工件30和32也可使用如上文所述的FSW工艺来制造。举例而言，可使用沿着在区段的纵向上定向的接头区域焊接在一起的一半(半柱形)或四分之一区段制造风力涡轮塔架的较大直径柱形区段。这样的能力获得更小的工件，其能更易于装运到施工现场且在施工现场FSW焊接。虽然关于特定实施例描述了本发明，但显然，本领域技术人员也可采用其它形式。因此，本发明的范围仅受所附权利要求限制。
权利要求
1.一种通过冶金联结エ件的结合表面而将至少两个エ件焊接在一起的方法，所述方法包括 将所述エ件放置在一起，使得它们的结合表面彼此朝向，并且接头区域由所述结合表面限定且在所述结合表面之间限定； 通过以下操作将所述エ件搅拌摩擦焊 在一起迫使工具进入所述接头区域内；使所述工具绕其轴线旋转，以使所述工具的一部分穿透所述接头区域且经由摩擦接触来加热所述结合表面；并且使所述工具沿着所述接头区域行进以形成焊接接头，所述焊接接头冶金联结所述结合表面且产生包括所述エ件的焊接组件；以及然后 通过使所述工具行进到安置于所述接头区域上的楔形体上，从所述接头区域抽出所述 工具，所述楔形体构造成使得在所述工具在所述楔形体上行进时所述工具完全从所述接头区域抽出，而不会在所述焊接接头中形成离开孔。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述接头区域包括在所述结合表面之间多达大约2毫米的间隙。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述工具包括肩部和探头，所述探头在所述工具的轴向上从所述肩部突伸，且在所述搅拌摩擦焊接步骤期间，所述肩部邻靠所述エ件的相邻表面且所述探头穿透所述接头区域。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在干，由于所述抽出步骤，所述楔形体焊接到所述焊接组件上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，从所述焊接组件移除所述楔形体。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括，在所述搅拌摩擦焊接步骤期间，利用背衬部件支承所述エ件，使得所述エ件在所述工具与所述背衬部件之间。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊接步骤并不熔化所述结合表面。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述结合表面限定对接接头。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述エ件由钢合金形成。
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述接头区域具有大于ー厘米的厚度。
11.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在所述搅拌摩擦焊接步骤期间，向所述工具施加至少53，000N的轴向力。
12.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在所述搅拌摩擦焊接步骤期间，所述エ具以大约150至大约160rpm旋转。
13.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在所述搅拌摩擦焊接步骤期间，所述エ具沿着所述接头区域以每分钟大约十厘米至十五厘米行迸。
14.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述エ件为柱形エ件且轴向地彼此邻靠以限定所述接头区域，所述接头区域和所述焊接接头绕所述柱形エ件周向延伸，所述搅拌摩擦焊接步骤起始于所述接头区域的周向部位，以及所述楔形体安置于所述接头区域上在所述搅拌摩擦焊接步骤起始的所述周向部位处。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，通过根据权利要求I的搅拌摩擦焊接步骤将半柱形エ件搅拌摩擦焊接在一起来制造所述柱形エ件。
16.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述焊接组件为风カ涡轮塔架，所述エ件为所述风カ涡轮塔架的柱形区段。
17.—种制造风カ涡轮塔架的方法，所述方法包括 将两个柱形区段放置在一起，使得所述柱形区段轴向地彼此邻靠，所述柱形区段的结合表面彼此朝向，且接头区域由所述结合表面限定且在所述结合表面之间限定，所述结合表面绕所述柱形区段周向延伸且在所述柱形区段之间延伸，所述接头区域具有大于ー厘米的厚度且在所述结合表面之间包括多达大约两毫米的间隙； 利用背衬部件支承所述柱形区段，使得所 述柱形区段在所述背衬部件与搅拌摩擦焊接工具之间，所述搅拌摩擦焊接工具包括肩部和探头，所述探头在所述工具的轴向上从所述肩部突伸；以及然后 通过以下步骤将所述柱形区段搅拌摩擦焊接在一起而不熔化所述结合表面迫使所述搅拌摩擦焊接工具的探头在所述接头区域的周向部位进入所述接头区域内；使所述搅拌摩擦焊接工具绕其轴线旋转，以使所述搅拌摩擦焊接工具穿透所述接头区域且经由摩擦接触来加热所述结合表面；以及使所述搅拌摩擦焊接工具沿着所述接头区域行进以形成焊接接头，所述焊接接头冶金联结所述结合表面且产生包括所述柱形区段的焊接组件。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 通过使所述搅拌摩擦焊接工具行进到安置于所述接头区域上在所述接头区域的周向部位处的楔形体上，从所述接头区域抽出所述搅拌摩擦焊接工具，所述楔形体构造成使得在所述搅拌摩擦焊接工具在所述楔形体上行进时所述搅拌摩擦焊接工具完全从所述接头区域抽出，所述楔形体由于所述抽出步骤而焊接到所述焊接组件上；以及 从所述焊接组件移除所述楔形体。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述结合表面限定对接接头。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述柱形区段由钢合金形成。
全文摘要
本发明涉及用于较大结构的焊接工艺。焊接方法利用搅拌摩擦焊接(FSW)技术来焊接较大结构，例如风力涡轮的很大柱形塔架区段。该方法涉及通过冶金联结工件的结合表面而将至少两个工件焊接在一起。将工件放置在一起使得其结合表面彼此朝向，且接头区域由结合表面限定且在结合表面之间限定。然后通过以下步骤将工件搅拌摩擦焊接在一起迫使工具到接头区域内；使工具绕其轴线旋转以使工具穿透接头区域；并且使工具沿着接头区域行进以形成焊接接头，焊接接头冶金联结结合表面且产生包括工件的焊接组件。
文档编号B23K20/12GK102728949SQ20121011083
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月5日 优先权日2011年4月5日
发明者A·萨博 申请人:通用电气公司