[发明专利]焊接由耐高温的超级合金构成的工件的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种方法和一种装置，用于对工件、尤其是燃气轮机工件(例如燃气轮机叶片)进行焊接。

背景技术

燃气轮机的转子叶片在运转时会遭受高温和很强的机械负载。因此对于这种零件，优选使用镍基超级合金，它可通过γ’相沉淀来制造。但是，随着时间的推移可能会上转子叶片上出现裂纹，这些裂纹会随时间继续扩大。可能由于极端的机械负载，在燃气轮机运转时也可能会出现这种裂纹，但它们也可能在制造过程中就已经出现了。因为由这种超级合金制造燃气轮机叶片和其它工件很费力且成本很高，所以人们在制造时努力产生尽可能少的废品，并确保生产出来的产品具有很长的使用寿命。

如果由于运转引起的载荷，不能再绝对地保证无问题的正常工作，则需要定期地保养处于运转中的燃气轮机叶片，必要时还要更换。为了使更换的涡轮机叶片能继续使用，一般可对它们进行再加工。然后，它们可重新应用在燃气轮机中。在这种再次修复的框架中，在损坏的地方进行堆焊是必要的，以便再次建立原有的壁厚。

例如借助堆焊，可使在制造过程中就已经包括裂纹的涡轮机叶片变得耐用，因此可减少的制造过程中的废品。

但是借助常规的焊接方法，γ′增强的镍基超级合金与同种的焊料目前很难焊接在一起。原因在于，必须避免熔融物的微偏析(即微分离)。此外在后继的热处理过程中，焊接过程自身也可能在焊接部位产生裂纹。原因是焊接固有应力，此焊接固有应力是在焊接时在引入热的过程中由于塑性变形而引起的。

为了避开γ′硬化的镍基超级合金的困难的焊接性，通常用可延展的焊料(例如无γ′硬化的镍基合金)来焊接。这种无γ′硬化的镍基合金的典型代表是例如IN625。这种无γ′硬化的焊料的可延展性允许，在焊接之后在第一热处理过程中通过塑性变形来消除焊接应力。与γ′硬化的镍基超级合金相比，这种未硬化的合金当然具有更小的耐高温性(抗拉强度和蠕变强度也更小)。因此，优选使用不带可延展的焊料的焊接方法。这种方法可划分为两个类型，其一是使基本材料过时效，以便借助γ’相粗化来提高可延展性，另一是在预热的基底上实施焊接工艺。在预热的基底上实施焊接工艺，这通过在焊接过程中的回复减小焊接固定应力。例如在US 6,120,624中描述了一种事先过时效的焊接工艺，例如在US 5,319,179中描述了一种在预热工件上实施的焊接工艺。

但是，上述两种不带可延展的焊料的焊接方法也同样具有缺点。例如，在焊接工艺之前实施过时效时，在焊接之前需对γ’硬化的镍基超级合金进行相应的热处理，以便使γ’相实现过时效。在此，明显提高了基本材料的可延展性。可延展性的提高使材料可在室温下焊接。此外，它还可冷矫直。此外，这种热处理还可把镍基超级合金(例如Rene41或Haynes282)当作焊料来用。它们虽然在组织中形成γ’相，但它的体积百分含量明显小于典型的含γ′的镍基超级合金，后者如今用于燃气轮机-热气部件例如燃气轮机叶片(例如IN738LC、IN939、Rene80、IN6203DS、PWA1483SX、合金247等)。因此，即便在焊接工艺之前实施过时效，也不能进行全结构的焊接。

如果涡轮机叶片进行预热，则可减少焊点和涡轮机叶片其余部位之间的温度差以及由此出现的应力梯度，从而可在由镍基超级合金构成的零件中避免产生焊接裂纹。但是，这样的方法必须在保护气体的作用下实施，这会使焊接工艺更加复杂和昂贵，在此方法中借助感应线圈把涡轮机叶片的温度预热到900℃至1000℃之间。此外，由于位于保护气体容器中的工件很难接触得到，所以这种方法无法在工件的所有部位上实施。

发明内容

因此需要一种备选的焊接方法，用于实施堆焊，此堆焊尤其适用于γ’硬化的镍基超级合金，并且没有上述的缺点或程度很小。本发明的另一目的是，提供一种焊接装置，适合用于实施按本发明的方法。

第一目的通过按权利要求1所述的、用于实施堆焊的方法得以实现，第二目的通过按权利要求10所述的焊接装置得以实现。从属权利要求包括本发明的有利的构造方案。

在按本发明的方法中，此方法用于焊接由耐高温的超级合金构成的工件，借助热引入区和输入区将焊料安放在工件表面上，此输入区用于将焊料输入到热引入区中。此热引入区和输入区在焊接过程中在工件表面上运动。此运动是沿着焊接方向进行的，例如在直线的路径上，或在围绕着焊接方向进行振荡的路径上。在按本发明的方法中，焊接参数是这样选择的，即冷却率在材料凝固时至少为8000K/s。