專利名稱：結(jié)合燃?xì)鉁u輪機(jī)應(yīng)用的超級合金的帶墊片激光束焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)技術(shù)，更具體地，涉及用于結(jié)合鎳，鈷，和鐵基超級合金的激光束焊接工藝。
背景技術(shù)：
類似Rene N5的鎳基超級合金，典型地包含大于10％的難熔元素，并且通?？醋鞑豢珊附拥?。然而，諸如激光來或電子束之類的低熱輸入焊接工藝的使用在很窄范圍的焊接條件內(nèi)產(chǎn)生無裂紋的焊接接縫。這些束工藝的一個缺點為在熔化區(qū)內(nèi)的定向晶粒長大，其在焊接區(qū)域的中心形成清楚的樹枝狀邊界。這種類型的晶粒結(jié)構(gòu)使得接縫容易中心線裂紋并且導(dǎo)致很差的疲勞強(qiáng)度。例如，電子束焊接的N5/GTD-222接縫的疲勞壽命在1200和0.9％的應(yīng)變下在大約100個循環(huán)時破壞，這比較低強(qiáng)度GTD-222基礎(chǔ)金屬的疲勞壽命低5倍。在這個范圍的焊接性能水平導(dǎo)致燃?xì)鉁u輪機(jī)運行期間焊接接縫的災(zāi)難性的破壞。
為了克服中心線裂紋問題，已經(jīng)為焊接超級合金開發(fā)了幾種可選的工藝。在它們之中，送絲電子束工藝(送絲EB)，預(yù)置墊片電子束工藝(墊片EB)和氣鎢弧工藝(TIG)已經(jīng)證明在改進(jìn)接縫的疲勞壽命中是最好的執(zhí)行者。送絲EB工藝通過電子束焊接期間的自動送絲器加入可延展的超級合金填充金屬。因為焊接金屬延展性的增加，送絲EB接縫的疲勞壽命改進(jìn)至在1200和0.9％的應(yīng)變下1000個循環(huán)。然而，這個工藝受接縫厚度的限制。并且，當(dāng)接縫厚度增加超過0.1英寸時未焊透(LOP)的缺陷經(jīng)常發(fā)生。嚴(yán)重的LOP缺陷降低疲勞壽命至小于10個循環(huán)。然而，墊片EB工藝極大地增加接縫厚度，焊接接縫需要必需的墊板以停止電子束。這個墊板導(dǎo)致在接縫根部應(yīng)力上升源。
另一個追求的可選的工藝是使用可延展的超級合金填充金屬的TIG焊接。這個多道弧焊接工藝徹底改變了焊接區(qū)域內(nèi)的定向晶粒結(jié)構(gòu)，把延展性引入焊接金屬，并且消除了必需的墊板。結(jié)果，TIG焊接接縫的疲勞壽命增加至在1200和0.9％的應(yīng)變下1300個循環(huán)。然而，與弧焊接相關(guān)的高熱輸入造成相對大的翼片變形并增加了焊接內(nèi)熔化不足缺陷的危險。變形的量時常禁止TIG工藝作為用于復(fù)雜的翼片結(jié)構(gòu)的主要焊接工藝的使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供改良的激光束焊接工藝以促進(jìn)無缺陷超級合金焊接接縫的開發(fā)，其將改進(jìn)高溫和高應(yīng)變范圍的低循環(huán)疲勞壽命。該工藝也設(shè)計為實現(xiàn)完全的焊透焊接至0.5英寸深，消除了對必需的墊板的需要，降低了未焊透缺陷的傾向，并減少了熔化不足缺陷的危險。該工藝也降低了零件的變形并允許在復(fù)雜的翼片結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)接縫內(nèi)的裝配間隙變化。
更具體地，在一個示例性的實施例中，0.010-0.040英寸厚的鎳基或鈷基墊片預(yù)置并插入鎳基，鈷基和鐵基超級合金(例如，GTD-222，GTD-111，A286，F(xiàn)SX-414和Rene N5)的試樣塊之間。墊片的高度延伸超過接縫深度大約0.010英寸-0.150英寸。換句話說，墊片在接縫表面上向外突起0.010-0.150英寸。基礎(chǔ)材料焊接到自身和其他候選超級合金的每個，不使用支承板。
因此，一方面，本發(fā)明涉及激光束焊接至少兩個鄰近的超級合金部件的方法，其包括(a)沿著一對接合面對齊部件，但沒有支承板；(b)把超級合金墊片放置在接合面之間；(c)使用激光束把部件焊接在一起，使沿著接合面的超級合金部件的部分與超級合金墊片混合；以及冷卻部件以在部件之間產(chǎn)生對接焊縫。
另一方面，本發(fā)明涉及激光束焊接至少兩個超級合金部件的方法，其包括沿著一對接合面對齊部件，但沒有支承板；把超級合金墊片放置在接合面之間；使用激光束把部件焊接在一起，使沿著接合面的超級合金部件的部分與超級合金墊片混合；以及冷卻部件以在部件之間產(chǎn)生對接焊縫；其中墊片在鄰近部件上突出大約0.010至0.150°；并且其中用于激光焊接的參數(shù)包括瓦特數(shù)1000-3500速度8至30ipm(英寸每分鐘)焦距7英寸墊片厚度0.010至0.040英寸間隙在墊片和接合面之間0至0.010英寸現(xiàn)在連同下面的附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明。


圖1為焊接之前的激光墊片焊接裝置的示意圖；以及圖2為完成的激光墊片焊件的示意圖。
具體實施例方式
參考圖1，激光墊片焊接裝置10包括一對鎳基超級合金(例如，GTD-222)試樣塊12，14，墊片16插入位于鎳基或鈷基墊片16的每一側(cè)上的相對的接合面18，20之間。在批露的例子中，墊片16為0.010和0.040英寸之間的厚度，并且注意墊片的高度延伸超過接縫深度，即，超過試樣塊12和14的高度或厚度大約0.10至0.150英寸。焊接接縫模型裝配有從0至0.010英寸的焊接接縫間隙(在墊片16和接合面18，20之間)，并且通過激光束使用較低的功率設(shè)置定位焊接。沿著接縫的長度可以每二分之一英寸進(jìn)行點定位焊。
在批露的例子中，用于激光墊片焊接工藝的焊接參數(shù)如下瓦特數(shù)1000-3500速度8至30ipm(英寸每分鐘)焦距7英寸墊片厚度0.010至0.040英寸間隙0至0.010英寸注意在激光束焊接中，束自身沿著焊接接縫移動，不管其為平面或圓形。
圖2示出了產(chǎn)生的對接焊縫22，在冷卻后，把超級合金試樣塊12和14結(jié)合在一起，接合面18，20與墊片16的材料混合。注意，即使沒有支承板，焊接材料僅在各個試樣塊12，14的下表面的下面稍微突出并且如果需要，可以機(jī)械加工齊平。類似地，焊縫的上不規(guī)則表面也可以機(jī)械加工與試樣塊齊平。
應(yīng)意識到，上面描述的激光墊片焊接工藝也適于鈷基和鐵基超級合金的使用，例如，GTD-111，A286，F(xiàn)SX-414，和Rene N5。
改良的激光束焊接工藝產(chǎn)生直到0.5英寸深的完全的焊透焊接，消除了必需的支承板的需要，降低了未焊透缺陷的傾向，并減少了熔化不足缺陷的危險。
盡管以部件或試樣塊的形式描述，應(yīng)意識到，焊接的部件可以為許多渦輪機(jī)零件的任何一個，例如，蒸汽出口煙道至噴嘴接縫；葉片至葉片頂端罩子，等等。
盡管連同當(dāng)前認(rèn)為最實際和優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，將理解本發(fā)明不限于批露的實施例，而是相反，意在覆蓋包括在所附權(quán)利要求書精神和范圍內(nèi)的各種更改和等價布置。
部件列表激光墊片焊接裝置10試樣塊對12，14墊片16相對的接合面18，20對接焊縫2權(quán)利要求
1.一種激光束焊接至少兩個鄰近的超級合金部件(12，14)的方法，其包括(a)沿著一對接合面(18，20)對齊部件，但沒有支承板；(b)把超級合金墊片(16)放置在接合面之間；(c)使用激光束把部件焊接在一起，使沿著接合面的超級合金部件的部分與超級合金墊片混合；以及冷卻部件以在部件之間產(chǎn)生對接焊縫(22)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中超級合金部件(12，14)為鎳基，鈷基或鐵基超級合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述墊片(16)為鎳基或鈷基超級合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中墊片(16)在鄰近部件上面突出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中墊片(16)在鄰近部件上面突出大約0.010至0.150°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中墊片(16)延伸超出鄰近接合面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中墊片(16)具有0.010至0.040英寸的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用于實施步驟(c)的參數(shù)包括瓦特數(shù)1000-3500速度8至30ipm焦距7英寸墊片厚度0.010至0.040英寸間隙0至0.010英寸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中墊片(16)在鄰近部件上面突出大約0.010至0.150°。
10.一種激光束焊接至少兩個超級合金部件(12，14)的方法，其包括沿著一對接合面(18，20)對齊部件，但沒有支承板；把超級合金墊片(16)放置在接合面之間；使用激光束把部件焊接在一起，使沿著接合面的超級合金部件的部分與超級合金墊片混合；以及冷卻部件以在部件之間產(chǎn)生對接焊縫(22)；其中墊片(16)在鄰近部件(12，14)上面突出大約0.010至0.150°；并且其中用于激光焊接的參數(shù)包括瓦特數(shù)1000-3500速度8至30ipm焦距7英寸墊片厚度0.010至0.040英寸間隙0至0.010英寸。
全文摘要
激光束焊接至少兩個鄰近的超級合金部件(12，14)的方法，其包括(a)沿著一對接合面(18，20)對齊部件，但沒有支承板；(b)把超級合金墊片(16)放置在接合面之間；(c)使用激光束把部件焊接在一起，使沿著接合面的超級合金部件的部分與超級合金墊片混合；以及冷卻部件以在部件之間產(chǎn)生對接焊縫(22)。
文檔編號B23K26/42GK1891392SQ20061010019
公開日2007年1月10日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者D·A·諾沃克, G·馮, L·B·斯皮格爾 申請人:通用電氣公司