专利名称：涡轮叶片榫接件的修复的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种修复涡轮叶片尖端上的损坏榫接件的装置和方法，并且特别涉及一种减小制造循环时间、成本、人工并改善质量的修复腐蚀榫接件的装置和方法。
背景技术：
例如蒸汽涡轮叶片的涡轮叶片通常设置覆盖叶片尖端的环形盖。盖用来衰减并加强叶片的响应，并还提供可以设置密封件的环形带。盖通常设置成覆盖多个叶片尖端的弧形部段。在原来制造的叶片中，一个或多个榫接件设置成从叶片尖端伸出，并容纳在盖的相应开口中。接着榫接件被敲击或者固定在盖上以便将盖保持在叶片上。在特别是长时间使用例如蒸汽涡轮的涡轮的情况下，叶片榫接件被腐蚀，需要通过修复榫接件并将盖固定在叶片尖端上来修整叶片/盖组件。
以前，为了修复叶片榫接件，从涡轮上拆卸叶片，其中每个单独的叶片放置在工作台上。腐蚀的榫接件接着磨削成尖端上的小块或与叶片尖端平齐。榫接件尖端进行预热并清理。焊接材料接着在多个道次中手动施加在尖端上，严密注意预热的程度。堆焊接着被去除应力并加工以便形成新的或修复的榫接件。这种现有技术的方法手动完成，费事并成本高，造成生产效率非常低。
发明内容
按照本发明的优选实施例，提供一种减小制造循环时间、成本和人工并通过自动修复方法改善质量的装置和方法。在其一个方面中，最好是台子的固定装置包括将成组的叶片夹紧在台子上的多个夹具，成组的叶片例如分成各有四个叶片的两组。叶片因此在台子上夹紧在预定位置上。一组叶片最好通过感应线圈进行预热，而使用机器人承载焊接头在多个道次中将焊接材料顺序施加到另一组的叶片尖端上。在每个叶片尖端进行温度测量之后，在多个道次中施加焊接材料，使得每个叶片尖端进行充分预热，以便进行进一步焊接过程。在完成成组叶片的堆焊之后，叶片从台子固定装置中取出，放置在颠倒位置的另一固定装置内并布置在流化床内以便消除应力。台子固定装置还进行移动以便将另一组预热的叶片相对于机器人臂承载的焊接头定位在焊接位置上，使得焊接材料可在多个道次中顺序施加到下一组预热叶片上。大致在同时，另一组叶片夹紧在台子固定装置上并通过感应线圈预热。该过程重复直到所有损坏榫接件进行充分堆焊和消除应力为止。在消除应力之后，每个叶片尖端处的堆焊最好通过CNC机床加工以便形成替换榫接件。
将理解到叶片最初可通过单独夹具固定在预定位置上并不需要位于转动台子上。因此，在预热之后，焊接材料可在多个道次中通过机器人顺序施加到预热叶片尖端上，并随后消除应力且进行加工。消除应力可通过任何一种公知的技术来实现，其中包括这里特别说明的技术。
在本发明的优选实施例中，提供一种修复涡轮叶片尖端上的榫接件的方法，包括如下步骤(a)将多个叶片在预定位置上可拆卸地固定在固定装置上，(b)预热涡轮叶片，(c)在第一焊接道次内顺序施加焊接材料到固定在固定装置内的预热叶片的尖端上，(d)在至少一个另外道次内顺序施加另外的焊接材料到固定在固定装置内的叶片尖端上，(e)对叶片消除应力以及(f)加工施加的焊接材料以便在叶片尖端上形成榫接件。
在另一优选实施例中，修复涡轮叶片尖端上的榫接件的方法包括如下步骤(a)在预定位置上固定多个叶片；(b)预热涡轮叶片；(c)在第一焊接道次内将焊接材料顺序施加到固定在固定装置内的预热叶片的尖端上，同时叶片固定在预定位置上；(d)施加在至少一个另外道次内将另外的焊接材料顺序施加到叶片尖端上，同时叶片固定在预定位置上；(e)对叶片消除应力；以及(f)加工施加的焊接材料以便在叶片尖端上形成榫接件。
在本发明的另一优选实施例中，提供一种将焊接材料施加到涡轮叶片上以便在所述涡轮叶片上形成一个或多个榫接件的组件，包括具有夹具以便在预定位置上将第一和第二组叶片可拆卸地固定在固定装置上的固定装置、预热成组叶片的感应线圈、施加焊接材料到叶片尖端上的焊接头，固定装置可在第一和第二位置之间运动，固定装置在其第一位置上靠近焊接头定位第一组叶片使得焊接材料施加到叶片尖端上，并且靠近感应线圈定位第二组叶片以便预热叶片尖端，固定装置在第二位置上靠近焊接头定位第二组叶片，使得焊接材料施加到第二组叶片尖端上。
图1是在涡轮叶片尖端提供堆焊的装置的局部示意图；图2是将叶片夹紧到图1所示固定装置上的局部透视图；图3是与图2类似的表示夹紧到固定装置上的叶片尖端的视图；图4是与图1类似的表示感应加热线圈和通过工业机器人的机器人臂承载的焊接头提供堆焊的应用情况；图5是表示叶片尖端上的堆焊的放大视图；图6是保持叶片的另一固定装置的透视图，其中尖端上的堆焊在颠倒的位置；图7是与图6类似的表示叶片尖端上的堆焊浸入流化床以便消除应力的视图；图8是表示叶片尖端上的堆焊的放大局部示意图；图9是磨削堆焊以便形成榫接件的CNC机床的示意图；以及图10是表示尖端上最终榫接件的叶片尖端的透视图。
部件列表组件10、固定装置12、台子14、感应加热线圈16、机器人18、焊接头20、过中心夹具22、直立件24、止挡26、可运动臂28、叶片30、平台32、燕尾件34、手柄36、操纵臂42、焊接材料43、控制器44、气体喷嘴46、红外扫描器50、支承件60、流化床62、CNC机床70、叶片榫接件76。
具体实施例方式
参考附图，特别是图1，表示出总体标号为10的组件，该组件用于在一定生产率下以提高质量和减小修复循环时间的方式进行预热并将堆焊材料施加到涡轮叶片的尖端上。图1所示的组件包括具有进行安装以便围绕垂直轴线转动的台子14的固定装置12。组件还包括感应加热线圈16和安装焊接头20的机器人18。
特别是，台子14包括多个直立的机械式过中心夹具22。夹具安装在由台子14承载的直立件24上，并包括止挡26和可运动臂28(图2和3)。夹具22是公知传统的，并且用来在预定位置上夹紧叶片30的上端部使其贴靠止挡26。将理解到叶片26包括平台32和燕尾件34，所述燕尾件34静置在台子14顶部上，而叶片30的上端部夹紧在臂28和止挡26之间，如图3所示。夹具22设置手柄36，夹具可通过手柄进行手动定位以便将叶片夹紧在预定位置上，如图4所示。
如图1所示，夹具22沿着台子14的侧部布置成各自具有四个夹具的两组。将理解到在每组中可以设置或多或少的夹具22，并且成组的夹具不需要沿着台子的相对侧对准，而可以相互以其它角度取向对准。台子14围绕中央垂直轴线枢转，以便定位成组的夹具，并且因此各自位置上的夹紧叶片靠近感应加热线圈16和机器人18，特别是由机器人18承载的焊接头20。在所示优选实施例中，台子14在靠近感应加热线圈16定位每组叶片的位置和靠近焊接位置上的焊接头20的位置之间转动180°，使得焊接头20可在每组的每个叶片尖端上提供堆焊。台子14可通过将台子锁定在固定支柱上的拐角销40锁定在两个转动位置的每个位置上。
感应加热线圈16位于靠近通过夹具22夹紧在台子上的一组叶片的台子14的一侧上。感应加热线圈16预热叶片，而不接触叶片，由此靠近叶片尖端的翼面截面大致均匀加热。最好是，感应加热线圈将叶片翼面预热到大约450°F的温度。机器人18可以是传统的构造，包括操纵臂42、控制承载在臂尖端上的焊接头20运动的控制器44和提供惰性气体氛围以便在涡轮叶片尖端上提供堆焊的气体喷嘴46。将理解到机器人进行编程以便当叶片尖端位于焊接位置时将焊接材料43施加到叶片尖端上。因此，机器人可进行编程(即教授)以便在这些叶片尖端沿台子一侧夹紧到台子上的不同位置上将焊接材料顺序地施加到叶片尖端上。另外，并且出于以下原因，机器人还承载红外扫描器50，使得在焊接之前确保每个叶片尖端的温度。机器人18可以是由Tipp City，Ohio的Daihen，Inc.制造并在其认明商标OTC-Almega XSeries下销售的类型。
参考图6和7，还提供一种另外的固定装置或支承件60以便在颠倒位置上支承叶片，其中堆焊材料位于叶片的悬置尖端上。因此，当足够的堆焊材料施加在一组叶片上时，叶片从台子上的夹紧位置手动拆卸并插入支承件60。在图7中表示支承件60，其中包括堆焊的叶片尖端浸入流化床62。流化床62可以是包括保持小金属或陶磁小球的容器，小球在容器62中通过加热空气流化，加热空气供应到容器底部以便在小球内部和附近向上并通过容器底部向外流动。在64处示意表示的加热空气的供应可通过电或煤气炉(未示出)来提供，并吹入容器62。通过将在每个叶片尖端上包括堆焊材料的叶片尖端浸入容器62，通过将大致均匀的温度施加到叶片上而对于叶片进行高温消除应力。一旦进行应力消除，图8所示的堆焊可随后例如通过图9中70示意表示的CNC机床进行加工，以便形成图10所示的叶片榫接件76。
现在将描述修整叶片上的榫接件的过程。将理解到，长时间使用特别是蒸汽涡轮的涡轮，原来制造的榫接件磨损并腐蚀，需要叶片进行修整以便提供新的榫接件，使得盖固定到修整的叶片上。因此，带有磨损或腐蚀的榫接件的叶片从涡轮上拆卸，并且从涡轮尖端上通过磨削操作(未示出)去除损坏的榫接件。一旦叶片尖端已经磨削到大致平的构造时，叶片准备进行修整。
叶片以其燕尾件34静置在台子上的方式以直立取向布置在台子14上。叶片翼面的上端部通过夹具22夹紧到台子上的预定位置上。在所示实施例中，第一组叶片沿着台子一侧夹紧，例如靠近感应加热线圈16一侧。叶片夹紧在与编程到机器人18内的位置相对应的位置上，使得当第一组预热叶片转动运动到靠近感应加热线圈16的运动位置时，机器人将在预定焊接位置施加堆焊。当夹紧在运动位置上第一组叶片靠近预热感应加热线圈16时，线圈16启动以便将叶片预热到预定温度，例如450°F。当达到预定温度时，台子14围绕垂直轴线转动，在此实例中是180°，以便将预热叶片定位在焊接位置。一旦台子转动，第二组叶片沿其靠近感应加热线圈16的一侧夹紧到台子上。将理解到在第一组叶片位于焊接位置并且堆焊材料施加到叶片尖端上的同时，沿着台子相对侧的第二组叶片通过感应加热线圈16预热。
当第一组叶片位于焊接位置时，机器人18启动以便顺序施加堆焊材料到每个预热叶片尖端上。特别是，机器人18启动以便将包括气体喷嘴46的焊接头20靠近预热叶片尖端定位，如图5所示。红外扫描器50扫描叶片尖端，以确保在叶片尖端内保留的预热足以施加焊接材料。焊接技术可以是许多焊接技术中的一种技术。例如，使用MIG系统，焊丝连续通过气体喷嘴上的套环供应，并且CO2或氩气或其混合物分散以便覆盖焊点。这些屏蔽气体驱散大气并屏蔽焊接头，使得焊接材料施加到叶片尖端上。当施加预定数量的堆焊材料时，机器人的模式存储控制器造成机器人臂将焊接头从第一组叶片的第一叶片尖端运动到第二叶片尖端，其中施加堆焊材料的过程重复。扫描器50读取温度，并且如果适当，堆焊材料施加到第二叶片尖端上。机器人随后在第一道次内将堆焊材料施加到台子上的预定位置上以及在焊接位置上的第一组叶片的每个叶片尖端上。施加堆焊材料受到限制以便限制叶片吸收的热量大小。红外扫描器在施加焊接材料之前监测每个叶片尖端的温度，如果监测的温度过高，机器人停止焊接过程直到达到适当温度为止。相反，如果尖端温度过低而不能充分焊接，可以进行另外加热。
当完成将堆焊材料施加在焊接位置上的第一组叶片内的每个叶片尖端上的第一道次时，机器人移动臂以便沿着每个叶片尖端提供第二道次和另外的焊接材料。因此，另外的堆焊材料顺序提供到每个叶片尖端上，与第一道次类似。因此，进行多个焊接道次，直到实现所需堆焊为止。
将理解到排序和固定提供两种功能。首先，对于每个叶片尖端来说在每次焊接开始时将焊接头定位在相同位置，因此确保所施加的焊接材料的一致性。另外，使得焊接过程中产生的热量有足够时间散发并通过传导穿过材料。这种定时和排序以及监测叶片温度提供温度温度的控制，使得生产率增加。
一旦在第一组叶片上完成堆焊，从台子14上拆卸叶片，颠倒并定位在支承件60内。一旦从台子14上拆卸第一组叶片，台子转动以便将另一组叶片定位在焊接位置中的台子相对侧上。第二或另一组叶片预热到适当焊接温度，并且重复焊接过程。另外的叶片同样位于靠近感应加热线圈16的现在空置的预定位置上，以便在当前面一组预热的叶片焊接时，预热这些另外的叶片。
从台子14拆卸的具有适当堆焊的第一组叶片定位在支承件60内。支承件60将叶片支承在颠倒的位置上，使得叶片浸入流化床62以便消除应力。在消除应力之后，例如长达大约20分钟，叶片从流化床中取出，包覆绝缘覆盖层(未示出)并缓慢冷却。在冷却之后，随后例如通过CNC机床加工叶片尖端上的堆焊材料，以便形成榫接件。在加工之后，叶片现在完全得到修整并恢复，使得叶片盖施加到叶片尖端上。
虽然结合当前认为是最为实际和优选的实施例描述了本发明，将理解到本发明不局限于描述的实施例，相反，本发明打算覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的多种变型和等同配置。
权利要求
1.一种修复涡轮叶片尖端上的榫接件的方法，包括如下步骤(a)将多个叶片(30)在预定位置上可拆卸地固定在固定装置(12)上；(b)预热涡轮叶片(16)；(c)在第一焊接道次内顺序施加焊接材料到固定在固定装置内的预热叶片的尖端上；(d)在至少一个另外道次内顺序施加另外的焊接材料(20)到固定在固定装置内的叶片尖端上；(e)对叶片消除应力(60)；以及(f)加工(70)施加的焊接材料以便在叶片尖端上形成榫接件(76)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过施加感应加热线圈(16)到叶片上同时将叶片固定在固定装置上来进行步骤(b)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，固定装置包括用于在所述预定位置上将第一和第二组叶片分别固定在固定装置上的至少第一和第二组叶片定位装置(22)，将在所述预定位置上固定在固定装置上的第一组叶片相对于焊接头定位在焊接位置内，使得焊接材料顺序施加到第一组叶片的尖端上，并且移动固定装置，以便将在所述预定位置上固定在固定装置上的第二组件叶片相对于焊接头(20)定位在所述焊接位置内，使得焊接材料顺序地施加到第二组件叶片的尖端上。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，移动步骤包括转动固定装置以便将所述预定位置内的第二组叶片的叶片尖端定位在所述焊接位置上，从而通过焊接头(20)焊接。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，包括通过机器人前进焊接头，以便当其位于所述焊接位置时，将焊接材料顺序地施加到各自第一和第二叶片的叶片尖端上。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(e)之前，从固定装置上拆卸叶片，并且其中步骤(e)包括将具有施加焊接材料的叶片尖端布置在流化床(62)中，以便使得叶片消除应力。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将叶片颠倒为叶片尖端面向下的取向，并且其中步骤(e)包括在第二固定装置中布置颠倒的叶片，并将第二固定装置承载的颠倒叶片尖端降低到流化床内。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括通过机器人控制焊接头(20)以便在每个所述焊接道次内将焊接材料顺序施加到叶片尖端上。
9.一种将焊接材料施加到涡轮叶片上以便在所述涡轮叶片上形成一个或多个榫接件的组件，包括固定装置(12)，该固定装置具有夹具(22)以便在预定位置上将第一和第二组叶片可拆卸地固定在固定装置上；预热所述成组叶片的感应线圈(16)；施加焊接材料到叶片尖端上的焊接头(20)；所述固定装置(12)可在第一和第二位置之间运动，所述固定装置在所述第一位置上靠近所述焊接头定位所述第一组叶片，使得焊接材料施加到叶片尖端上，并且靠近感应线圈定位所述第二组叶片，以便预热叶片尖端，所述固定装置在所述第二位置上靠近所述焊接头定位所述第二组叶片，使得焊接材料施加到所述第二组叶片尖端上。
10.如权利要求9所述的组件，其特征在于，包括机器人(18)，机器人(18)承载所述焊接头(20)并编程以便将焊接头固定就位，从而将焊接材料顺序地施加到所述成组的叶片尖端上。
11.如权利要求9所述的组件，其特征在于，包括温度传感器(50)，温度传感器用来检测预热叶片的温度并连接到所述机器人上，使得只在检测到的温度在预定温度范围内时，焊接材料施加到叶片尖端上。
全文摘要
通过磨削从叶片尖端上去除需要修复的叶片尖端榫接件。成组叶片(30)在靠近感应加热线圈(16)的位置上分别夹紧(22)在转动台子以及机器人焊接臂(42)上。当一组叶片加热时，另一组叶片在焊接位置，使得机器人臂上的焊接头(20)将堆焊材料顺序施加到叶片尖端上。在多个道次内将堆焊材料顺序施加到叶片尖端之后，拆卸叶片，消除应力(60)并且堆焊材料进行加工以便形成修复的榫接件。当从台子拆卸叶片时，台子转动以便将预热叶片定位在焊接位置，并且另外的叶片夹紧到台子上以便预热。
文档编号F01D5/00GK1683750SQ20051005941
公开日2005年10月19日 申请日期2005年3月23日 优先权日2004年3月23日
发明者T·J·菲舍尔, J·F·诺兰, A·J·托姆科, D·W·罗伯茨, C·S·库克, D·R·帕克 申请人:通用电气公司