專利名稱：焊接修復(fù)部件的方法及其所修復(fù)的部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種焊接修復(fù)金屬合金的方法，尤其涉及那些用于燃?xì)廨啓C(jī)的高溫環(huán)境下的金屬合金。更加具體地，本發(fā)明涉及一種對(duì)這些合金所制成的部件上的缺陷實(shí)現(xiàn)受控的焊接修復(fù)的方法，該方法通過(guò)采用填充材料修復(fù)缺陷，將合金的熔化最小化。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)的熱高溫段部件，例如輪葉(葉片)、輪翼(噴嘴)和燃燒室，通常由鎳、鈷和鐵基超耐熱合金所制成，具有在燃?xì)獠僮鳒囟认滤璧臋C(jī)械性能。這些部件通常為鑄件形式，因此可能會(huì)具有需要修復(fù)的點(diǎn)缺陷，例如陶瓷的夾渣(ceramic inclusion)、氣孔以及小的線缺陷等。不同的焊接技術(shù)都可以用來(lái)修復(fù)這些缺陷，包括鎢極氣體保護(hù)(TIG)焊和等離子弧焊(PTA)焊接工藝，這些焊接方法的焊接過(guò)程必須小心操作，以得到可接受的焊接結(jié)果，保證能夠保持超耐熱合金的機(jī)械性能。鑄件廠家可以容易地進(jìn)行采用相對(duì)簡(jiǎn)單的手工修復(fù)方法的修復(fù)，例如應(yīng)用填充材料的TIG焊。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，焊接是局部熔化和重新凝固的過(guò)程。為了防止出現(xiàn)裂紋，待焊接修復(fù)合金必須具有足夠的延展性以承受焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)變。然而，燃?xì)廨啓C(jī)所采用的耐高溫材料卻具有先天的抗變形性，所以在室溫下很難使用與待修復(fù)部件相同的合金作為填充材料。因此，就經(jīng)常采用比母材合金延展性更好的合金來(lái)修復(fù)超耐熱合金部件。而在采用延展性填充材料修復(fù)超耐熱合金部件時(shí)，所遇到的問(wèn)題是，在如TIG焊手動(dòng)焊接過(guò)程中，很難控制填充材料與母材的比率。經(jīng)常地，由于在焊道根部容易形成裂紋，所以超耐熱合金和其它合金的TIG焊很困難，而裂紋的產(chǎn)生正是由于母材金屬過(guò)多地熔入填充材料形成的熔池中所造成的。
通過(guò)上面的敘述可知，現(xiàn)在需要的是一種修復(fù)高溫金屬合金的方法，該方法同時(shí)又使母材金屬最少的熔入填充材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種修復(fù)金屬合金部件的方法，例如燃?xì)廨啓C(jī)的超耐熱合金部件，以及采用該方法所修復(fù)的部件。該方法使用一個(gè)具有預(yù)定尺寸和形狀的填充插入件，使得在焊接過(guò)程中既可以使插入件完全的熔化，同時(shí)又可以使周?chē)慕饘俸辖鸩考娜刍钚』?。這樣，插入件和部件之間的混合達(dá)到最小，從而減小了在焊接過(guò)程后出現(xiàn)裂紋的危險(xiǎn)。
按照本發(fā)明的焊接修復(fù)方法，主要包括進(jìn)行一次評(píng)測(cè)，通過(guò)這次評(píng)測(cè)，可以確定在一段時(shí)間內(nèi)主體(例如填充金屬合金)表面中的焊接熔池隨時(shí)間的發(fā)展情況，從而將焊熔池寬度、深度、形狀和時(shí)間聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成成套的參數(shù)。之后，對(duì)由金屬合金(可以與經(jīng)評(píng)測(cè)的主體相同或者不同)制成并且表面具有缺陷的部件進(jìn)行機(jī)加工，去除缺陷，并在所述表面中形成一個(gè)腔，所述腔的寬度、深度和形狀與評(píng)測(cè)過(guò)程中與一個(gè)時(shí)間段相關(guān)聯(lián)的熔池寬度、深度和形狀大致相同。此時(shí)，將具有與上述腔近似相同寬度、深度和形狀的填充插入件放入腔中，使得填充插入件的外表面與腔的表面并置(juxtaposed)。最后，采用基本相同的一套焊接參數(shù)、以在評(píng)測(cè)過(guò)程中對(duì)應(yīng)的相同時(shí)間段加熱填充插入件，所述焊接參數(shù)和時(shí)間段是確定腔和插入件尺寸的基礎(chǔ)。結(jié)果，填充插入件被熔化，從而形成填充上述腔的冶金連接焊接修復(fù)。
按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面，評(píng)測(cè)的過(guò)程用來(lái)確定或預(yù)計(jì)在一套給定焊接條件和參數(shù)下，熔化前緣通過(guò)填充金屬合金的擴(kuò)展速率，或者至少是在不同時(shí)間段時(shí)熔化前緣的位置，這個(gè)信息在加熱填充插入件時(shí)使用，使得通過(guò)插入件朝向其外表面擴(kuò)展的熔化前緣基本上同時(shí)到達(dá)填充插入件的整個(gè)外表面。之后，加熱過(guò)程還可以持續(xù)，并將該部件位于腔表面以下的一有限部分熔化，使得熔化的部分具有大致統(tǒng)一的厚度，有意限制該厚度以最小化插入件和部件的材料之間的混合。因此，相對(duì)較難焊接的金屬合金，例如超耐熱合金，可以通過(guò)采用具有更大延展性和/或更低熔點(diǎn)的合金制成的插入件來(lái)進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)由于減小了焊接過(guò)程中混合量降低而出現(xiàn)裂紋的危險(xiǎn)。
通過(guò)上文的敘述，利用本發(fā)明的方法，可以應(yīng)用許多不同的焊接技術(shù)，例如手弧焊或電子束焊，由于在評(píng)測(cè)和焊接操作過(guò)程中使用了相同的技術(shù)，從而可將焊接參數(shù)用于緊密控制焊接修復(fù)過(guò)程中的熔化量。而且，金屬合金的評(píng)測(cè)可使多個(gè)熔池寬度、深度、形狀對(duì)應(yīng)多個(gè)時(shí)間段以形成一套或多套焊接參數(shù)。此時(shí)，就可以將多個(gè)填充插入件成形為近似具有在評(píng)測(cè)過(guò)程中所確定的寬度、深度和形狀，從而允許根據(jù)待修復(fù)的缺陷選擇某個(gè)特定的填充插入件。這樣，按照本發(fā)明的方法非常適合填充可能在金屬合金部件上出現(xiàn)的裂縫、氣孔、裂紋和其它的表面孔穴和損傷，而填充插入件的組分則可以被配置為補(bǔ)充待修復(fù)部件的組分，從而形成一個(gè)結(jié)實(shí)的、無(wú)裂紋的焊接修復(fù)。
本發(fā)明的其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)下面的詳細(xì)敘述說(shuō)明。


圖1示出了按照本發(fā)明的評(píng)測(cè)過(guò)程中的一個(gè)步驟，通過(guò)該步驟測(cè)定了一段時(shí)間內(nèi)焊接熔池的擴(kuò)張狀況；圖2示出了部件表面上的點(diǎn)缺陷；圖3、4、5示出了修復(fù)圖2中所示缺陷的步驟，即去除缺陷周?chē)泻腿毕莸谋砻娌牧闲纬梢粋€(gè)預(yù)定形狀的腔，將相應(yīng)尺寸的填充插入件放入該腔中，然后進(jìn)行受控的焊接過(guò)程，將插入件和與插入件直接相鄰的部件上的一有限部分熔化。
具體實(shí)施例方式
圖1至圖5示出了對(duì)如圖2所示的具有缺陷的部件10的一系列修復(fù)步驟。部件10可以由多種金屬合金制成，包括那些相對(duì)難于焊接的金屬合金，例如用于制造燃?xì)廨啓C(jī)鑄件和鍛件的鎳、鈷和鐵基超耐熱合金。如果部件10是一個(gè)鑄件，則缺陷12通常為點(diǎn)缺陷，比如陶瓷夾渣(ceramic inclusion)、氣孔等等，有時(shí)點(diǎn)缺陷也可能被線缺陷所代替。
下面描述本發(fā)明的第一個(gè)步驟，圖1示出了一個(gè)被TIG焊機(jī)23產(chǎn)生的焊炬22加熱的金屬合金主體20的表面24，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)焊接熔池26?？梢灶A(yù)料的是，金屬熔池26沿著熔池前緣28隨時(shí)間從最靠近焊炬22的點(diǎn)逐漸沿徑向向外、向下通過(guò)主體20擴(kuò)展。焊接熔池26的最終的尺寸和形狀在焊炬22息弧后達(dá)到最遠(yuǎn)的熔池前緣28。為了評(píng)測(cè)的目的，隨著時(shí)間的流逝，熔池前緣28的進(jìn)展以及隨之而來(lái)的熔池26的尺寸(寬度和深度)和形狀的變化，以所使用的焊接參數(shù)的形式被記錄下來(lái)。按照不同類型的焊接技術(shù)，這些焊接參數(shù)可以包括焊接電流、任何焊劑的使用、焊炬22相對(duì)于表面24的位置等等本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的焊接參數(shù)。
主體20優(yōu)選采用與待修復(fù)的部件10相同的合金制成，原因?qū)⑼ㄟ^(guò)下面的討論說(shuō)明，主體20也可以由不同的材料制成，只要在相似的焊接條件下(圖4)，焊接熔池前緣28按照與焊接熔池前緣38通過(guò)部件10的擴(kuò)展相似的方式通過(guò)主體20的擴(kuò)展。這樣，這里所說(shuō)的“相同的合金”也包括那些在組分和微觀結(jié)構(gòu)上充分相似并從而具有近似焊接屬性的合金。
如果主體20具有各向同性的性質(zhì)，熔池26和熔池前緣28通常在主體20的表面24具有圓形形狀。依據(jù)所采用的焊接技術(shù)，熔池26和熔池前緣28還可以為半球形狀，雖然在修復(fù)許多表面缺陷時(shí)通常需要更大的縱橫比(深度比寬度)，例如圖2所示的缺陷12。因此雖然許多不同焊接技術(shù)都可以用于本發(fā)明，但是電子束和激光焊接技術(shù)更適用于修復(fù)具有更大縱橫比的缺陷。在可以采用手工焊接的條件下，可以使用TIG和PTA焊接技術(shù)。隨著有機(jī)焊劑的發(fā)展，TIG焊所形成的熔池的縱橫比(深度比寬度)可以達(dá)到300％，這使得TIG焊適合于修復(fù)許多種類型的缺陷。如圖1所示的TIG焊接技術(shù)，電弧最好由面板模式(panel mode)的TIG焊機(jī)啟動(dòng)，之后電弧電流保持恒定。
金相試片是一種用于觀測(cè)熔池前緣28和熔池26尺寸進(jìn)展的合適技術(shù)。通過(guò)圖1所示的評(píng)測(cè)，可以建立起一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中的熔池26的尺寸和形狀可通過(guò)多段焊接時(shí)間內(nèi)的所采用焊接技術(shù)和參數(shù)的形式被記錄，而且熔池26的尺寸和形狀以及與其相對(duì)應(yīng)的焊接時(shí)間被編目記錄。采用相同的技術(shù)，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以擴(kuò)展為針對(duì)多種不同合金、焊接技術(shù)和參數(shù)，與焊接時(shí)間相對(duì)應(yīng)的熔池的尺寸和形狀的數(shù)據(jù)庫(kù)。
圖2中，部件10上圍繞缺陷12的表面區(qū)域16被標(biāo)示出來(lái)。為了使其包括整個(gè)缺陷12，如邊界線18所示的表面區(qū)域16的尺寸和形狀幾乎與圖1中最遠(yuǎn)的熔池前緣28處的焊接熔池26相同。被標(biāo)示的表面區(qū)域16被去除，從而使缺陷12從部件10的表面14去除，形成一個(gè)如圖3所示的腔?？梢圆捎迷S多種不同的技術(shù)將表面區(qū)域16去除，包括采用裝配有鑲硬質(zhì)合金刀具的氣動(dòng)工具粗制出腔32，再通過(guò)使用精密的刀具使得腔32的尺寸(寬度和深度)及形狀嚴(yán)格地對(duì)應(yīng)于表面區(qū)域16，從而幾乎與圖1中最遠(yuǎn)程度的焊接熔池26相同。如圖3所示的焊接過(guò)程的準(zhǔn)備中，部件10的表面14和腔32的表面最好經(jīng)過(guò)表面處理，以去除可能妨礙焊接過(guò)程的任何表面氧化物和其它表面雜質(zhì)。
圖3示出了將填充插入件30放入在部件10表面14上形成的腔32中。如圖所示，插入件30比腔32略小。例如，插入件30的尺寸使得在插入件30的外表面34和腔32之間具有約為插入件30直徑的1-5％的徑向間隔，以便將插入件30放入腔32中。按照本發(fā)明，插入件30的合適材料包括那些機(jī)械和熱性能與部件10所采用的材料同等的合金，例如，如果部件10為鎳基超耐熱合金，則插入件為鎳基合金。這樣，插入件30可以被視為由與部件10所采用的金屬合金相同的材料制成，其中只要采用相似的焊接條件，焊接熔池前緣38(圖4)通過(guò)插入件30的擴(kuò)展與在評(píng)測(cè)過(guò)程中焊接熔池前緣28的擴(kuò)展相似。在優(yōu)選實(shí)施例中，插入件30被改進(jìn)為具有更好的延展性并具有比部件10所用合金更低的熔點(diǎn)。由現(xiàn)有技術(shù)所知，為了達(dá)到這一目的，合適的合金成分包括硼和硅。
圖4示出了通過(guò)在與在圖1中所示的評(píng)測(cè)過(guò)程中所采用的參數(shù)相同的參數(shù)下操縱焊炬42來(lái)加熱插入件，從而將插入件30焊接到部件10上。為了保證在更大的可變條件下焊炬42相對(duì)于部件表面14恒定放置，如圖所示，TIG焊機(jī)43被一個(gè)剛性支架44所支撐。如圖1所示的主體20，焊接熔池前緣38從最接近于焊炬42的點(diǎn)通過(guò)插入件30向外擴(kuò)展，從而焊接熔池36在插入件30上不斷發(fā)展。根據(jù)在對(duì)主體20評(píng)測(cè)過(guò)程中所得到的數(shù)據(jù)，在從焊接過(guò)程開(kāi)始計(jì)時(shí)的基礎(chǔ)上，任何給定時(shí)間的焊接熔池前緣38的尺寸和形狀都可以被精確的預(yù)測(cè)。而且，由于已知插入件30的尺寸，所以焊接熔池前緣38到達(dá)插入件30外表面34的時(shí)間也可以被精確的預(yù)測(cè)。另外，由于插入件30的尺寸和形狀、焊炬42的放置與圖1中所示的熔池26的尺寸和形狀及焊炬的放置相一致，所以焊接操作使熔池前緣38幾乎同時(shí)達(dá)到插入件30的整個(gè)外表面34。
如圖5所示按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面，熔池前緣38可以深入腔32的表面擴(kuò)展到大致均勻的深度，也就是熔池36不僅包括插入件30，而且擴(kuò)展到部件10的腔表面以下的有限的部分40，因此在插入件30和部件10之間形成冶金連接。為了達(dá)到這個(gè)目的，焊炬42的作用時(shí)間可以超過(guò)形成圖1所示的熔池26所需時(shí)間一個(gè)非常有限的時(shí)間，使得在部件10上發(fā)生微小的熔化，因此在部件10和插入件30之間發(fā)生微小的混合。通過(guò)最小化的混合，在焊接冷卻過(guò)程中產(chǎn)生裂紋和后來(lái)的應(yīng)變時(shí)效裂紋的可能性大大減小。
在焊接操作后，允許將部件10按照已知的方法冷卻以進(jìn)一步降低焊接導(dǎo)致裂紋的危險(xiǎn)。按照傳統(tǒng)的方法，部件10可以進(jìn)行焊后熱處理，以使在部件10上鄰近插入件30的位置發(fā)展的熱影響區(qū)域(HAZ)得到回火，所述熱影響區(qū)域此時(shí)已經(jīng)成為焊縫，包括在焊接過(guò)程中熔化的部件10上的部分40。最后，還可以按照需要，采用任何合適的技術(shù)對(duì)部件10的表面14進(jìn)行調(diào)整，去除任何多余的填充材料和任何焊接殘留的表面雜質(zhì)。
通過(guò)上文所述可知，按照本發(fā)明的修復(fù)方法，有益于通過(guò)單獨(dú)地評(píng)測(cè)合金來(lái)發(fā)展一個(gè)關(guān)于插入件的大型編目，所述插入件用于修復(fù)不同種類合金和不同尺寸的缺陷，從而將多個(gè)熔池的寬度、深度和形狀與多個(gè)焊接時(shí)間聯(lián)系起來(lái)，并且可以隨意選擇用于不同的焊接技術(shù)和參數(shù)?；谶@個(gè)數(shù)據(jù)，填充插入件可以被成形為具有大致相同的寬度、深度和形狀，這些寬度、深度和形狀由焊接時(shí)間標(biāo)識(shí)并與其相聯(lián)系，這樣可以從一個(gè)基于待修復(fù)合金種類、合金上缺陷尺寸和所采用焊接技術(shù)的插入件分類中選擇一個(gè)特別的填充插入件。因?yàn)榘凑毡景l(fā)明的焊接修復(fù)方法最小化了部件的母材合金與插入件的混合，所以混合所造成的不良效果被減弱，潛在地允許采用許多種填充材料來(lái)制造插入件，包括那些相對(duì)不能與待修復(fù)合金和諧共存的合金。
上文參照優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以據(jù)此作出其它的改變。因此本發(fā)明的范圍通過(guò)下面的權(quán)利要求來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種焊接修復(fù)方法，包括下述步驟確定在由金屬合金制成的主體(20)的表面(24)中焊接熔池(26)隨時(shí)間的發(fā)展?fàn)顩r，將熔池寬度、深度和形狀與時(shí)間相聯(lián)系形成一套焊接參數(shù)；去除由金屬合金制成的部件(10)的表面(14)中的缺陷(12)，該合金可以與主體(20)的金屬合金相同也可以不同，其中去除缺陷(12)的步驟在表面(14)中形成了一個(gè)腔(32)，該腔的寬度、深度和形狀與在確定步驟中與一個(gè)時(shí)間段相關(guān)聯(lián)的熔池的寬度、深度和形狀基本相同；將填充插入件(30)放入腔(32)中，該填充插入件具有與腔(32)近似相同的寬度、深度和形狀，使得填充插入件(30)的外表面(34)與腔(32)的表面并置；采用所述一套焊接參數(shù)、以確定步驟中相關(guān)聯(lián)的所述時(shí)間段加熱填充插入件(30)，從而熔化該填充插入件(30)，并形成填充所述腔(32)的冶金連接焊接修復(fù)。
2.如權(quán)利要求1所述的焊接修復(fù)方法，其特征在于在加熱步驟中，熔池前緣(38)通過(guò)填充插入件(30)向該填充插入件(30)的外表面(34)擴(kuò)展，并基本同時(shí)到達(dá)填充插入件(30)的整個(gè)外表面(34)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的焊接修復(fù)方法，其特征在于在加熱步驟中，使部件(10)位于腔(32)表面下面的部分(40)也熔化，該部分(40)具有大致統(tǒng)一的厚度。
4.如權(quán)利要求1所述的焊接修復(fù)方法，其特征在于確定和加熱步驟利用弧焊機(jī)(23，43)或高能束完成。
5.如權(quán)利要求1所述的焊接修復(fù)方法，其特征在于部件(10)所采用的合金為超耐熱合金。
6.如權(quán)利要求1所述的焊接修復(fù)方法，其特征在于確定步驟包括將多個(gè)熔池寬度、深度和形狀與多個(gè)時(shí)間段相聯(lián)系，形成所述成套的焊接參數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的焊接修復(fù)方法，其特征在于所述填充插入件(30)是多個(gè)填充插入件(30)中的一個(gè)，這些填充插入件的寬度、深度和形狀與成套的焊接參數(shù)中的多個(gè)熔池寬度、深度和形狀大約相同，該方法還包括從多個(gè)填充插入件(30)中選取填充插入件(30)的步驟。
8.如權(quán)利要求1所述的焊接修復(fù)方法，其特征在于所述填充插入件(30)由第二合金制成，該合金具有比制成部件(10)的合金更大的延展性和/或比制成部件(10)的合金更低的熔點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求1所述的焊接修復(fù)方法，其特征在于所述確定步驟包括確定多種金屬合金的焊接熔池(26)隨時(shí)間的發(fā)展?fàn)顩r，以將多種合金的熔池寬度、深度和形狀與時(shí)間聯(lián)系起來(lái)形成多套焊接參數(shù)。
10.如權(quán)利要求1所述的焊接修復(fù)方法，其特征在于金屬合金部件(10)為超耐熱合金制成的燃?xì)廨啓C(jī)部件，該部件為鑄件或鍛件。
全文摘要
一種修復(fù)金屬合金部件(10)的方法，以及采用該方法所修復(fù)的部件(10)。該方法包括機(jī)加工部件表面(14)以去除其缺陷(12)，之后將填充插入件(30)放入所得到的表面腔(32)中，該插入件的尺寸和形狀是預(yù)定的，使得焊接的過(guò)程既可以將插入件(30)完全熔化，又可以最小化直接圍繞插入件(30)的部件(10)的熔化。這樣，就最小化了發(fā)生在插入件(30)和部件(10)之間的材料混合，從而減小了伴隨焊接過(guò)程產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)。
文檔編號(hào)B23K9/167GK1517171SQ20041000509
公開(kāi)日2004年8月4日 申請(qǐng)日期2004年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月9日
發(fā)明者約翰·T·墨菲, 約翰 T 墨菲 申請(qǐng)人:通用電氣公司