先进的堆焊焊道累进方法
【专利摘要】本发明提供一种堆焊方法，包括：通过一系列并排的焊道在基底(10)上沉积焊接材料(12)，以形成第一焊层(12a)，其中，形成第一焊层(12a)的基本上所有焊道都沿第一焊道方向(d1)沉积。随后，在第一层上并排沉积一系列焊道，以形成第二焊层(12b)，其中，形成第二焊层(12b)的基本上所有焊道都沿与第一焊道方向(d1)相反的第二焊道方向(d2)沉积。每层的每个焊道可沉积在使该焊道被约束在平行于焊道延伸的仅一个侧边上的位置。
【专利说明】先进的堆焊焊道累进方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在部件上形成堆焊结构的方法，尤其涉及一种在涡轮发动机部件上形成堆焊结构的方法。
【背景技术】
[0002]燃气轮机的各种部件(例如在发动机的涡轮段中的导叶和轮叶)都承受高温，而且在运转过程中在轮叶转动的情况下可能受到很强的机械载荷。因此，镍基超级合金用作这种部件的优选材料。由这种超级合金构成的涡轮机轮叶和其它部件的生产是一个复杂、高成本的过程。因此，人们做出了各种努力，以尽可能减少废品，例如在生产中对有缺陷部件进行修理，以及对因运转而造成的损坏进行修理。例如，需要对腐蚀、异物损伤、以及热力机械疲劳裂纹进行修理，以延长部件寿命。
[0003]需要对燃气涡轮部件(尤其是工作中的轮叶)进行定期保养，并在必要时更换。为了延长部件的使用寿命，只要这些部件能被整修，在整修后就可把部件在燃气涡轮中重新使用。这种整修例如可能涉及在受损区域中进行必要的堆焊，以恢复部件的原有特性和/或尺寸。尤其是，对于超级合金部件，通常可以利用激光熔覆操作来进行修理。激光熔覆可采用较低的热输入进行，以便在基底上形成金属沉积层，避免改变底层超级合金部件的材料性质。超级合金部件通常包括单晶和定向凝固结构，这种结构在受到很高的热输入时易发生重结晶，例如，使用常规焊接工艺时可能发生这种热输入，例如等离子弧焊接或气体保护钨极电弧焊。
[0004]目前，焊补过程中存在着一些难题。在形成堆焊焊缝时，有多种因素会影响堆焊焊缝的质量，包括可能导致焊接材料内发生重结晶的因素，以及可能导致焊接材料内发生微观分离或裂纹的因素。
【发明内容】
[0005]根据本发明的一个方面，本发明提供一种通过在基底的焊接表面上进行堆焊操作从而对构成所述基底的涡轮发动机部件进行修理或修改的方法。所述方法包括:提供构成焊接表面的基底，以及在焊接表面上沉积焊接材料。焊接材料的沉积包括在焊接表面上并排沉积一系列焊道，以形成第一焊层，其中，形成第一焊层的基本上所有焊道都沿第一焊道方向沉积；以及，在第一层上并排沉积一系列焊道，以形成第二焊层，其中，形成第二焊层的基本上所有焊道都沿与第一焊道方向相反的第二焊道方向沉积。
[0006]根据其它方面，第二焊层的焊道可大体上平行于第一焊层的焊道。在第二焊层上可形成一个或多个其它的焊层，其中，每个后续焊层是通过使基本上所有焊道沿与前一层的焊道方向相反的方向沉积而形成的。每层的每个焊道可沉积在使该焊道被约束在平行于焊道并基本上沿焊道的整个长度延伸的仅一个侧边上的位置。
[0007]基底可包括相对于焊接表面的其它部分延伸出来的延伸表面，所述延伸表面具有沿着与由第一和第二焊层构成的堆焊层的方向平行的方向或与由第一和第二焊层构成的堆焊层的方向大致成一个角度的方向延伸的部分。另外，每层的每个焊道可大致平行于延伸表面与焊接表面之间的接合线延伸，每层的每个焊道可沉积在使该焊道被约束在平行于焊道延伸的仅一个侧边上的位置。每个焊层的焊道可沉积在从延伸表面沿某个方向顺次延伸的并排位置。
[0008]根据本发明的另一个方面，本发明提供一种通过在基底的焊接表面上进行堆焊操作从而对构成所述基底的涡轮发动机部件进行修理或修改的方法。所述方法包括:提供构成焊接表面的基底，以及在焊接表面上沉积焊接材料，包括沉积两层或更多层焊接材料，每层包括焊接材料的一个或多个焊道；并且每个焊层具有与前一个焊层的焊接金属凝固累进方向相反的焊接金属凝固累进方向。
[0009]其它方面包括:每层的一个或多个焊道可大体上平行于每个其它层的一个或多个焊道。每层的每个焊道可沉积在使该焊道被约束在平行于焊道并基本上沿焊道的整个长度延伸的仅一个侧边上的位置。
[0010]根据本发明的另一个方面，本发明提供一种通过在基底的焊接表面上进行堆焊操作从而对构成所述基底的涡轮发动机部件进行修理或修改的方法。所述方法包括:提供构成焊接表面的基底，其中，所述基底包括相对于焊接表面的其它部分延伸出来的延伸表面。在焊接表面上沉积焊接材料，包括沉积多层焊接材料，每层包括彼此并排的一系列焊道。另夕卜，每层的每个焊道可大致平行于延伸表面与焊接表面之间的接合线延伸，每层的每个焊道沉积在使该焊道被约束在平行于焊道延伸的仅一个侧边上的位置。
[0011]本发明的其它方面包括:每个焊层的焊道可沉积在从延伸表面沿某个方向顺次延伸的并排位置。每个焊层的沉积方式使得其焊接金属凝固累进方向与前一焊层的焊接金属凝固累进方向相反。每个焊层的焊道可大体上平行于每个其它层的焊道。每层的初始焊道可沿延伸表面沉积。基底可包括位于涡轮发动机的部件上的焊接表面，所述部件可包括超级合金。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]虽然本说明书所附的权利要求书具体、明确地提出了本发明的权利要求，但是通过参照附图做出的以下说明，能够更好地理解本发明，在附图中，相似的引用数字标示相似的元件，其中:
[0013]图1是根据本发明的多个方面的具有多层堆焊结构的涡轮发动机部件的横截面图；
[0014]图2是图1所示的涡轮发动机部件的一部分的平面图，该部分包括两层堆焊结构，其中的上层被部分地切掉；
[0015]图3是与图1类似的放大横截面图，示出了裂纹在堆焊结构的焊层之间的界面处终止的特点；
[0016]图4是根据本发明的多个方面的涡轮发动机部件的横截面图，其中示出了一系列焊道位置；
[0017]图5是图4所示的涡轮发动机部件的一部分的平面图，该部分包括两层堆焊结构，其中的上层被部分地切掉；和
[0018]图6是根据现有技术工艺的单层堆焊结构的放大横截面图，示出了在两个约束侧边之间形成的收缩裂纹。
【具体实施方式】
[0019]在以下优选实施例的详细说明中，将参照构成本说明书的一部分的附图以示例性方式而非限定性方式说明可实践本发明的一个具体优选实施例。应理解，也可以利用其它实施例，以及在不脱离本发明的精神和范围的前提下对所内公开的实施例做出各种变化。
[0020]根据本发明的一个方面，发明人注意到，通过在焊接过程中限制或减少应力和多晶凝固，能够减少裂纹的形成和扩展，从而提高通过多层结构焊接形成的部件结构的耐用性。具体而言，在本发明的一个方面中，在超级合金基底等基底上形成堆焊结构，其中，所述堆焊结构是通过按一定的顺序和方向排布焊道而形成的，以限制或最大限度地减少重结晶和/或限制或最大限度地减少裂纹在焊接结构中的形成。
[0021]在执行产生堆焊结构的常规工艺时(例如，所述工艺包括在超级合金部件上形成焊接覆层)，常常未考虑形成堆焊结构时的特定焊接累进顺序。尤其是，常常未能系统地考虑堆焊过程中焊道的方向以及焊道相对于周围结构的布置。根据本发明的多个方面，可以对堆焊结构的构造进行控制，以便通过根据焊道区的基底结构选择的有计划的焊道累进方式来最大限度地减少裂纹的形成。根据本发明的其它方面，可以对堆焊结构的构造进行控制，通过参照相邻层的焊道方向来选择每层的焊道方向，以便使晶粒保持沿择优生长方向伸展，并最小化或减少多晶凝固和伴随的开裂的危害，从而能最小化或减少由焊道形成的相邻层之间的裂纹扩展。
[0022]请参考图1，其中示出了用于接收堆焊结构12的部件或基底10，所述部件或基底10优选可包括超级合金，例如常用于燃气轮机导叶或轮叶的超级合金。例如，基底10可构成超级合金燃气轮机导叶或轮叶，所述燃气轮机导叶或轮叶与流过燃气轮机的涡轮段的高温工作气体接触。一种典型的超级合金是镍基超级合金，它通过铸造工艺形成，能够承受涡轮段的高温。
[0023]基底10包括用于接收焊接结构12的外露焊接表面14，并且通常可包括经过处理或调节的表面，例如已通过研磨或其它机械和/或化学加工手段去除了受损材料、准备好接收用于形成堆焊结构12的覆层或其它替换材料的表面。或者，堆焊结构12不一定必须作为用在旧部件上的修补结构，也可包括用于新制造部件的结构。堆焊结构12由多层焊接材料形成，在图1中，以四层12a、12b、12c、12d表示，其中，焊层12a包括直接沉积在焊接表面14上的第一焊层。可以理解的是，虽然图中示出了四个焊层，但是也可提供任意数目的多个层。
[0024]根据本文中所述的本发明的第一方面，多个层12a_d中的每一层都由多个焊缝或焊道构成,其中，每个层12a-d的焊道按一致的焊道方向沉积，如下文中所详述。这些焊道在图2中进一步示出，其中示出了堆焊结构12的前两层12a和12b，第二层12b被部分地切掉，即，在线13处剖切，以露出第一层12a的一部份。如图2所示，第一层12a的外露焊道包括一系列并排布置的焊道，它们分别标为第一焊道12an，......，12an+4。类似地，第二层12b的焊道包括一系列并排布置的焊道，它们分别标为第二焊道12bn，......, 12m+3o可以理解的是，第一层12a的其它焊道在第二层12b的焊道之下，并构成第二层12b的焊道的焊接表面，并且每层的焊道数目可以比示出的数目多或少。
[0025]第二层12b的焊道12bm，......，12m+3沿大体上平行于第一层12a的焊道
12an，......，12an+4的方向沉积在第一层12a上。而且，第二层12b的焊道12\，......，
12m+3以及每个后续层的焊道的沉积方式使得能保持之前层的优选的下方晶粒朝向。根据此方面，第二层12b的焊道12bm，......，12m+3中的每一条焊道的沉积方式使得第二焊道
12bm,......,12m中的每一条焊道的焊接金属凝固累进方向与构成下面的第一层12a的第一焊道12an，......，12an+4的焊接金属凝固累进方向相反。
[0026]焊接金属凝固累进方向可通过沿与前一层相反的方向沉积每层的焊道来控制。请参考图2,所不的第一层12a的第一焊道12an,......, 12an+4沿构成第一焊道方向(I1的统一方向沉积。第二层12b的第二焊道121ν......，12m+3沿与第一焊道方向Cl1相反并构成第二焊道方向d2的统一方向沉积在第一层12a上。因此,第一焊道12an,......, 12an+4可代表形成第一层12a的所有焊道，并沿第一方向Cl1沉积，第二焊道12bm，......，12m+3可代表形成第二层12b的所有焊道，并沿第二方向d2沉积。每个后续层的焊道沿与前一层相反的焊道方向沉积。这一点从图1中可以看出，其中，第一和第三焊层12a、12c的焊道沿第一焊道方向Cl1沉积，而第二和第四焊层12b、12d的焊道沿第二焊道方向d2沉积。
[0027]应理解，对堆焊结构的一层中的“所有”和/或“基本上所有”焊道的引用指覆盖相邻层或与相邻层交叠的一层的焊道，并且这些焊道相对于相邻层沉积，从而在各层之间保持晶粒沿择优生长方向伸展，如上文中所述。
[0028]每个焊层的沉积方式使得其焊接金属凝固累进方向与前一焊层的焊接金属凝固累进方向相反。交替改变从一层至另一层的凝固累进方向能够使各层中的晶粒保持沿择优生长方向伸展，并避免采用常规的非交替式焊接累进方式可能发生的多晶凝固和相关的开裂的危害。另外，交替改变各层的焊道方向能避免裂纹从一层扩展到下一层，这是因为，交替改变的焊接过程方向能实现交替变化的晶粒伸展方向，防止裂纹越过各层之间的界面，如图3所示，层12b中的裂纹16终止在层12b和12c之间的界面18处。而且，交替改变层12a-d的凝固方向能限制或减少形成堆焊结构12时在沉积材料中可能积累的应力。
[0029]本文所述的形成焊接结构12的工艺可应用于构成基底10的定向凝固(DS)超级合金铸件，能够提高铸件结构的强度和抗裂纹扩展能力。根据此方面，可以选择焊道的施焊方向，以避免相邻焊层的材料发生重结晶。
[0030]之所以能产生这个优点，是因为在焊接金属凝固过程中，晶粒垂直于固-液界面并沿温度梯度最高的方向生长。在原来的形成基底10的DS铸造过程中，这种温度梯度基本上是单轴的，导致相应的晶粒方向性，例如大体上沿径向从轮叶的基部向末端伸展。对于不交替变化的堆焊层，温度梯度趋向于不断地促进单一的焊缝方向。由于焊缝的方向性，原来的DS铸造晶粒的择优生长方向或易生长方向可能以稍稍离轴的梯度延续一个堆焊层，即，从轮叶的径向偏离轴线。但是，以相同的焊接方向堆焊多层会导致新的晶粒成核朝向沿单个离轴方向追随连续的离轴梯度。对于交替改变的堆焊层，相邻层之间的温度梯度方向交替变化，虽然在各层之间晶粒可能是“锯齿状的”(图3)，但是晶粒被“导向”，沿与基底10的原来的底层DS铸造显微结构类似的总方向伸展，即，晶粒17大体上沿径向伸展。
[0031]根据本文中所述的本发明的第二方面，每层的焊道优选以预定的累进次序沉积，如图4和图5所示，其中，与图1-2中所述的元件对应的元件用相同参考数字加100构成的标号标示。
[0032]如图4所示，在构成焊接表面114的基底110上沉积多个层112a_d，作为堆焊结构112。基底110可包括延伸结构108，所述延伸结构108限定出相对于焊接表面114的其它部分延伸出来的延伸表面109。例如，延伸表面109可具有沿平行于由焊层112a-d构成的堆焊层的方向或大体上与该方向成一定角度的方向延伸的部分，如下文中所详述。
[0033]如图4所示，每个焊层112a_d由按预先顺序并排沉积的一系列焊缝或焊道形成，以最大限度地减少收缩应力和相关的开裂。具体而言，本发明的一个方面是避免侧向约束很严重的焊道位置，例如焊道的材料需要适应沿相对的侧向收缩的位置，即，沿大体上垂直于焊道方向的相对方向。图6示出了一种侧向约束状况，其中，焊道212沉积在两个区域之间，每个区域都形成侧向约束，例如由延伸表面209构成的第一区域，以及可能由以前沉积的焊道构成的第二区域230，其中，这两个区域沿焊道212的侧边朝向外方向延伸一段距离，所述的向外方向大体上横截焊道方向和侧向。焊道212的冷却沿箭头232a、232b所示的方向发生，导致的凝固沿箭头234a、234b所示的方向发生。在从相对的侧向约束区域209、230向内至焊道212的中央部分的方向上发生的凝固可能导致收缩裂纹236，随着焊道212的最后材料从相对的侧边凝固并收缩，在焊缝的中央位置会留下空穴或裂纹。
[0034]根据本发明的第二方面，公认的是，通过有意地选择焊道顺序以便使每个焊道受到的侧向约束仅一个，能够避免或限制收缩裂纹的形成。即，本发明的这个方面要求有目的地选择焊道顺序，使每层的每个焊道沉积在使该焊道被约束在平行于焊道并基本上沿焊道的整个长度延伸的仅一个侧边上的位置。在此使用的术语“侧向约束”包括与焊缝或焊道相邻并接触、从焊道的焊接表面向外延伸(即，沿堆焊方向延伸)、并在其凝固时可形成把焊道材料的很大部分约束在焊道的侧边上的附着位置的固体结构。例如，这种侧向约束可由作为冷却焊道的侧边并使焊道的侧边凝固的散热片的结构形成。可以把侧向约束边与焊道的无约束侧边对比，无约束侧边的很大部分从可能与周围环境(即，气体或空气)相通的焊接表面向外延伸，并且在其冷却时不被结构附着物约束。
[0035]图5示出了焊接过程的初始部分，其中，已沉积有第一和第二焊层112a、112b，并且第二焊层112b的一部份被切掉，即，在线115处裁切，以露出第一层112a的一部份。焊层112a中的焊道标为112a1、112a2，焊层112b中的焊道标为112b3、112b4，它们大体上彼此平行地延伸，并且大体上平行于在延伸表面109和焊接表面114之间形成的接合线122。
[0036]在图4中示出了一系列焊道，并且这些焊道由图4中所示的每个焊道内给出的一系列数字标出。具体而言，第一焊层112a包括焊道I和2，其中，这些焊道从延伸表面109的侧向约束位置开始至无约束位置(以与基底110的右边120相邻的开放侧示出)。BP,层112a中的焊道I可形成在由延伸表面109构成的侧向约束边和与延伸表面109相对的侧向无约束边之间，层112a中的焊道2可形成在由焊道I构成的侧向约束边和在右边120处的与焊道I相对的侧向无约束边之间。类似地，第二层112b的焊道3、4，第三层112c的焊道5、6、7，和第四层112d的焊道8、9、10位于从延伸表面109朝无约束位置顺次累进的位置。因此，在所示的例子中，每个层112a-d的焊道的沉积方式使得每个焊道沉积在特定位置，在该位置，在焊接表面114上顺次沉积为堆焊结构112的多个层112a-d中的每个层允许有仅一个侧向约束，例如可由延伸表面109或其它焊道形成的侧向约束。
[0037]可以理解的是，形成每个层112a_d的焊道可包括单独或独立的大体上成直线形的焊道，例如在具有平坦的焊接表面的部件或基底110上形成的直线形焊道，其中，焊层112a_d中的特定层的焊道可从基底的同一端开始，并终止在基底的另一端。这种基底可包括叶尖，例如具有尖盖的叶尖，其中，堆焊结构可包括凹槽状叶尖，如图4所示。根据本文中所述的本发明的第一方面，对于每个后续焊层，焊道可在基底110的交错端开始和终止。
[0038]可替换地，部件或基底110可包括圆柱状结构(例如叶轮)，当为每层112a_d形成连续的螺旋形焊缝时，所述圆柱状结构处于旋转状态，基底的每一次旋转形成一个焊道。在此情况中，本发明的第一方面可通过沿交替变换的方向转动基底以形成每个后续层112a_d来实现，每个层112a-d的连续焊缝可在圆柱形基底110的同一端开始，例如基底110的包括延伸表面109的一端。
[0039]本发明的焊接方法可通过向焊接金属施加热量的任何已知工艺实现，例如，可根据接收堆焊结构的基底的材料来选择这种工艺。例如，实施本发明的典型焊接方法可利用激光熔覆、等离子弧焊接、气体保护钨极电弧焊、电子束焊接、以及其它类似的工艺。而且，可以理解的是，在此堆焊过程中，可以采用焊接填充材料(例如粉末、焊丝或焊条的形式)，例如通常用于堆焊结构的焊接填充材料和/或通常与上述的加热焊接方法配套的焊接材料。
[0040]应理解，在本文中所述的本发明的不同方面共同起到在堆焊结构中防止裂纹和降低应力的作用，并且还具有提高堆焊结构的强度和耐用性的辅助作用。而且，本文中所述的本发明的各个方面能够单独实施，以提高堆焊结构的强度和耐用性。
[0041]虽然在上文中本发明是通过具体实施例来说明的，但是所属领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，能够做出各种其它的变化和修饰。因此，在本发明的范围之内做出的所有此类变化和修饰都应涵盖在所附权利要求限定的范围之内。
【权利要求】
1.一种通过在基底的焊接表面上进行堆焊操作从而对构成所述基底的涡轮发动机部件进行修理或修改的方法，包括: 提供构成焊接表面的基底；以及 在焊接表面上沉积焊接材料，包括: 在焊接表面上并排沉积一系列焊道，以形成第一焊层，其中，形成第一焊层的基本上所有焊道都沿第一焊道方向沉积；以及， 在第一层上并排沉积一系列焊道，以形成第二焊层，其中，形成第二焊层的基本上所有焊道都沿与第一焊道方向相反的第二焊道方向沉积。
2.如权利要求1所述的方法，其中，第二焊层的焊道大体上平行于第一焊层的焊道。
3.如权利要求1所述的方法，包括在第二焊层上形成一个或多个其它的焊层，其中，每个后续焊层是通过使基本上所有焊道沿与前一层的焊道方向相反的方向沉积而形成的。
4.如权利要求1所述的方法，其中，每层的每个焊道沉积在使该焊道被约束在平行于焊道并基本上沿焊道的整个长度延伸的仅一个侧边上的位置。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述基底包括相对于焊接表面的其它部分延伸出来的延伸表面，所述延伸表面具有沿着与由第一和第二焊层构成的堆焊层的方向平行的方向或与由第一和第二焊层构成的堆焊层的方向大致成一个角度的方向延伸的部分，其中: 每层的焊道大体上平行于延伸表面和焊接表面之间的接合线延伸；和 每层的每个焊道沉积在使该焊道被约束在平行于焊道延伸的仅一个侧边上的位置。
6.如权利要求5所述的方法，其中，每个焊层的焊道沉积在从延伸表面沿某个方向顺次延伸的并排位置。
7.—种通过在基底的焊接表面上进行堆焊操作从而对构成所述基底的涡轮发动机部件进行修理或修改的方法，包括: 提供构成焊接表面的基底； 在焊接表面上沉积焊接材料，包括沉积两层或更多层焊接材料，每层包括一个或多个焊接材料焊道；以及 每个焊层具有与前一个焊层的焊接金属凝固累进方向相反的焊接金属凝固累进方向。
8.如权利要求7所述的方法，其中，每层的一个或多个焊道大体上平行于每个其它层的一个或多个焊道。
9.如权利要求7所述的方法，其中，每层的每个焊道沉积在使该焊道被约束在平行于焊道并基本上沿焊道的整个长度延伸的仅一个侧边上的位置。
10.一种通过在基底的焊接表面上进行堆焊操作从而对构成所述基底的涡轮发动机部件进行修理或修改的方法，包括: 提供构成焊接表面的基底，所述基底包括相对于焊接表面的其它部分延伸出来的延伸表面；以及 在焊接表面上沉积焊接材料，包括沉积多层焊接材料，每层包括彼此并排的一系列焊道，其中: 每层的焊道大体上平行于延伸表面和焊接表面之间的接合线延伸；和 每层的每个焊道沉积在使该焊道被约束在平行于焊道延伸的仅一个侧边上的位置。
11.如权利要求10所述的方法，其中，每个焊层的焊道沉积在从延伸表面沿某个方向顺次延伸的并排位置。
12.如权利要求10所述的方法，其中，每个焊层的沉积方式使得其焊接金属凝固累进方向与前一焊层的焊接金属凝固累进方向相反。
13.如权利要求12所述的方法，其中，每个焊层的焊道大体上平行于每个其它层的焊道。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述基底包括位于涡轮发动机的部件上的焊接表面。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述部件包括超级合金，并且使用激光熔覆工艺来沉积焊接材料。
16.如权利要求10所述的方法，其中，每层的初始焊道沿延伸表面沉积。
【文档编号】B23K26/342GK104245221SQ201380013698
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年2月21日 优先权日:2012年3月12日
【发明者】G.J.布鲁克, P.M.乔治瓦, B.W.希恩 申请人:西门子能量股份有限公司