專利名稱：修理或改良渦輪轉(zhuǎn)子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及修理或改良現(xiàn)有的渦輪元件的方法，以及修理渦輪元件的磨損或損壞的表面的程序。更具體地涉及改良現(xiàn)存的部件或用合格的金屬沉積堆焊磨損或損壞的表面的焊接技術(shù)。
由Ni-Cr-Mo、Ni-Mo-V、Ni-Cr-Mo-V和Cr-Mo-V合金制的蒸汽渦輪元件(如轉(zhuǎn)子和盤)提供了理想的高溫疲勞和蠕變性能以及中溫-高周疲勞性能，但是相當(dāng)難以焊接。但是，由于與改良及替換這些現(xiàn)有的常會(huì)磨損、腐蝕或開裂的元件相關(guān)的停機(jī)時(shí)間會(huì)花費(fèi)每天幾十萬美元，已試圖用焊接程序來改良及修理它們。
一種這樣的修理方法包括把單塊的鍛鋼件焊到現(xiàn)存的或磨損的轉(zhuǎn)子或盤上。但是，當(dāng)在一單轉(zhuǎn)子葉片槽緊固件(下面稱為“尖頂件”(steeple))進(jìn)行這類修理時(shí)，焊機(jī)可接近性很局限。因此，有很局限的可接近性進(jìn)行的焊接修理會(huì)導(dǎo)致不可接受的非破壞檢驗(yàn)的質(zhì)量，因?yàn)樾纬蓺饪?、裂紋、未熔穿、和夾渣。
也已知在渦輪元件和鍛造的替換部分之間低容積的焊接接縫后的埋弧焊進(jìn)行轉(zhuǎn)子修理。這類程序在US4,213,025(Kuhnen)和US4,219,719(Kuhnen)中已討論過。在這種程序中，環(huán)鍛件焊到磨損的盤或轉(zhuǎn)子上，或完全新的轉(zhuǎn)子鍛件焊上以替換整個(gè)轉(zhuǎn)子端。例如，US4,633,554(Clark等)公開了一個(gè)窄間隙焊接根部道次加上一個(gè)氣體保護(hù)金屬極電弧堆焊用于該目的。但是應(yīng)用這種方法得到的較低的拉伸及疲勞性能對(duì)于高應(yīng)力轉(zhuǎn)子尖塔區(qū)域一般是不夠的。
也僅用埋弧焊來堆焊修理包括一個(gè)寬或深槽的轉(zhuǎn)子區(qū)，在該處，沒有縱向沿著轉(zhuǎn)子半徑的開裂或缺陷。用埋弧焊的主要優(yōu)點(diǎn)是這一程序有很高的沉積速度，典型的為每小時(shí)約6.75公斤(15磅)焊接金屬。因?yàn)樵S多服務(wù)轉(zhuǎn)子的焊接修理在渦輪停機(jī)時(shí)進(jìn)行，這種較高的沉積速度是重要的。因此，時(shí)間相當(dāng)重要。但是，該程序要求預(yù)熱并產(chǎn)生有不良冶金性能的比較大的晶粒尺寸。典型地，在低壓轉(zhuǎn)子上的埋弧焊焊接件的屈服強(qiáng)度為約85-100Ksi(586-689MPa)和室溫?cái)[錐式?jīng)_擊韌性為約100-120英尺-磅(136-163J)。也明白“埋弧焊焊接件通常是不用的，因?yàn)橛胁畹某暀z查質(zhì)量、其常揭露在焊接金屬中有夾渣和孔隙。另外，由埋弧焊件制造的高壓Cr-Mo-V轉(zhuǎn)子修理焊接體有嚴(yán)重的蠕變-斷裂和凹槽敏感性問題。因此，對(duì)具有小、高應(yīng)力集中的半徑的Cr-Mo-V轉(zhuǎn)子尖塔的焊接修理一般是不可接受的。
已用氣體保護(hù)金屬極電弧程序修理轉(zhuǎn)子和盤。這種焊接程序沉積速度為每小時(shí)約8磅的焊接金屬，具有比埋弧焊方法稍好一些的性能。對(duì)于Cr-Mo-V轉(zhuǎn)子修理焊接，鋼渦輪的氣體保護(hù)金屬極電孤焊接件一般有屈服強(qiáng)度為約85-l00Ksi(586-689MPa)和室溫?cái)[錐式?jīng)_擊韌性為約110-130英尺-磅(150-177J)。但是焊接這些合金的氣體金屬電孤程序常有電弧偏斜(磁性)的方法的限制，其限制了使用這種方法。
現(xiàn)時(shí)，強(qiáng)調(diào)使用鎢電極惰性氣體保護(hù)焊方法(GTAW)對(duì)Ni-Mo-V和Ni-Cr-Mo-V低壓轉(zhuǎn)子元件進(jìn)行修理。這一點(diǎn)在“47屆美國(guó)動(dòng)力學(xué)術(shù)會(huì)議”(1985.4.22-24)，芝加哥，Ⅲ版由Westinghouse Electric Cor,Power Generation,Orlando,Florida印刷)中“低壓蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的焊接修理的經(jīng)驗(yàn)”(R.E.Clark等著)的文章中強(qiáng)調(diào)過。鎢電極惰性氣體保護(hù)焊已用于修理單個(gè)的轉(zhuǎn)子連接槽、化妝的或淺槽修理以糾正微小的表面缺陷。其已用來多重的堆焊葉片或元件連接或槽的位置，也就是用于360°的應(yīng)用，和包層或堆焊以修復(fù)磨損材料。鎢電極惰性氣體保護(hù)焊提供了高的超聲質(zhì)量、不要求預(yù)熱、和產(chǎn)生超過轉(zhuǎn)子材料規(guī)范要求的延伸及沖擊性能。由這種方法得到的低合金鋼焊件典型地有屈服強(qiáng)度為約90-115Ksi(621-793MPa)，和室溫?cái)[錘式?jīng)_擊韌性為約160-210英尺-磅(218-286J)。另外，這種焊接方法產(chǎn)生在上述任一種方法中最細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸。
已經(jīng)知道焊接方法的選擇取決于如扭曲、非損壞試驗(yàn)可接受的限制和對(duì)焊接后熱處理的機(jī)械性能響應(yīng)。渦輪轉(zhuǎn)子的各區(qū)域是均勻的，和經(jīng)受不同的使用職能。沒有焊接及熱影響區(qū)開裂及減少缺陷可由仔細(xì)控制一些焊接變量而做到。對(duì)于鎢電極保護(hù)氣體焊方法，一些這種變量包括電流強(qiáng)度、合金選擇、連接的幾何尺寸和移動(dòng)速率。選定的參數(shù)應(yīng)適應(yīng)自動(dòng)焊接方法以便得到焊件之間有重復(fù)性的均勻質(zhì)量。這些參數(shù)也必須產(chǎn)生優(yōu)秀的焊接特性，如沒有氣孔、開裂和夾渣，同時(shí)適合于對(duì)轉(zhuǎn)子和盤的所有可能的修理。最后，選定的合金和焊接參數(shù)能產(chǎn)生與基體金屬的性能可比較的焊接體。
通過控制的堆焊和對(duì)渦輪元件的再機(jī)加工進(jìn)行的焊接修理，包括許多抗失效的渦輪轉(zhuǎn)子和修理蒸汽渦輪的磨損表面的方法，特別是高壓渦輪轉(zhuǎn)子，在本專業(yè)領(lǐng)域中是已知的。在US4,940,390(clark等)和US4,903,888(clark等)中討論了這類方法。在這種程序中，制造出一個(gè)矩形的焊接體，再機(jī)加工成多個(gè)指狀物。這些方法包括焊接程序和減小焊接應(yīng)力和開裂的熱處理?？刂频亩押傅姆椒p小了在蒸汽渦輪中用的高壓、高溫轉(zhuǎn)子和盤用的Cr-Mo-V鋼基體金屬失效的危險(xiǎn)。這種程序提供了更好的焊接可接受性及焊件的整體性，導(dǎo)致改進(jìn)了把鍛造的固緊件焊接到轉(zhuǎn)子上。對(duì)于高壓渦輪元件，如轉(zhuǎn)子，在超過2400Psi和1000°F溫度下工作，這些特點(diǎn)是特別重要的。
控制的堆焊程序包括在準(zhǔn)備好的渦輪葉片的表面上沉積第一層焊接金屬，隨后使用更高的焊接溫度，在第一層上沉積第二層焊接金屬，用來使沉積第一層時(shí)在基體金屬中產(chǎn)生的“熱影響區(qū)”的至少一部分回火。這里指的“熱影響區(qū)”涉及直接緊鄰焊件的熔化區(qū)的基體金屬的區(qū)域。這一程序使用改進(jìn)的焊接方法用來克服在熱影響區(qū)中產(chǎn)生冶金結(jié)構(gòu)問題。由沉積第二層焊接金屬產(chǎn)生的附加熱及緊接著的熱影響區(qū)的熱處理，使基體金屬中的粗晶粒再結(jié)晶及回火?？梢悦靼桩?dāng)粗晶粒重制造為細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，可減小在焊接修理附近的應(yīng)力釋放的裂紋。這種控制的堆焊方法也避免了焊接第一層焊接金屬層的熱產(chǎn)生的基體金屬的過回火或軟化。當(dāng)加上與焊接處橫向的應(yīng)力時(shí)，例如高低周疲勞、拉伸強(qiáng)度或蠕變至斷裂時(shí)，在很大程度上發(fā)生強(qiáng)度損失。合適控制焊件的起始層可明顯地減小在熱影響區(qū)的失效和在低于未受影響的基體金屬的水平下的區(qū)域的強(qiáng)度損失。也已知包括使用焊蠶系列以減小對(duì)基體金屬的熱輸入。另外，應(yīng)用焊接尾罩來減小會(huì)導(dǎo)致低的拉伸強(qiáng)度的在焊接金屬中碳的損失。另外，已知如預(yù)熱層間溫度、保護(hù)氣體類型和流動(dòng)速率、電流、電壓、鎢極尺寸和移動(dòng)速度等參數(shù)用來得到較高質(zhì)量的焊接體。用于單一“尖頂件”修理和360°轉(zhuǎn)子修理的程序也是已知的。但是，這個(gè)程序很費(fèi)時(shí)，因?yàn)楸仨毝押敢粋€(gè)大的單一焊接體，一次一個(gè)單一的焊蠶，使用一個(gè)單一焊炬和隨后這一單一焊接體必須接著進(jìn)行機(jī)加工以形成多個(gè)單一的指狀物。與修理或替換渦輪轉(zhuǎn)子和元件相關(guān)的停機(jī)時(shí)間或周期比較花錢。這一程序也浪費(fèi)材料，因?yàn)楹附硬牧舷瘸练e在要修理的表面，隨后單一焊接體的一部分要機(jī)加工掉以形成單個(gè)的指狀物。
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的焊接方法，其改進(jìn)了渦輪元件的改良或修理區(qū)的冶金性能，同時(shí)減少了進(jìn)行這些改良及修理的周期。這種改進(jìn)的焊接方法通過使用多個(gè)焊炬同時(shí)形成多個(gè)焊接體減少了修理或周期時(shí)間。焊接單個(gè)焊接體也減小了用于進(jìn)行修理必須的焊接金屬量以及在焊接后進(jìn)行機(jī)加工的量。因此，本發(fā)明減小了總的修理或周期時(shí)間，同時(shí)改進(jìn)了焊接的冶金質(zhì)量。
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的焊接方法，其同時(shí)沉積出與最終的修理產(chǎn)品要求的多個(gè)指狀物相應(yīng)的多個(gè)單個(gè)的焊接體。這種通過同時(shí)使用兩個(gè)或更多的焊炬同時(shí)沉積多個(gè)焊蠶的新方法可以明顯減少進(jìn)行修理的修理時(shí)間或周期時(shí)間。使用相互接近的多個(gè)焊炬常導(dǎo)致焊弧的不穩(wěn)定，但是由于使單個(gè)分開的焊接體物理結(jié)構(gòu)及磁性分開，可減小焊弧的不穩(wěn)定性。使用這種方法，焊接金屬沉積成多個(gè)焊接體或“指狀物”，這有一些優(yōu)點(diǎn)。最明顯的是減小了現(xiàn)有技術(shù)中必須沉積及以后加工掉的焊接金屬。另外，焊接單個(gè)焊接體或“指狀物”比在基體金屬上焊接一個(gè)大的焊接體減小了基體金屬中的殘余應(yīng)力。使用多個(gè)指狀物也減小了磁場(chǎng)。焊接金屬可用電流通過焊絲而預(yù)熱或加溫，因而增加了焊池的流動(dòng)性。這便于由單個(gè)的擺動(dòng)的焊蠶形成各個(gè)單個(gè)的分開的焊接體的層。這樣也提供了更好的焊接性，因?yàn)轭A(yù)熱焊絲金屬可導(dǎo)致對(duì)各個(gè)焊蠶有更薄的焊接高度，可以冷卻更快。預(yù)熱焊絲也可以更快的速率沉積焊接金屬。
同時(shí)使用多個(gè)焊炬也減小了修理或周期時(shí)間。使焊炬數(shù)目加倍可縮短一半焊接時(shí)間，更多地增加焊矩，進(jìn)一步減小了焊接時(shí)間。雖然這是明顯，但已實(shí)施了進(jìn)一步的改進(jìn)。這個(gè)新方法對(duì)每層用一個(gè)單一焊蠶，通過擺動(dòng)焊絲及焊炬，及用比較高的電流脈沖來沉積出。擺動(dòng)使焊蠶形狀變薄，對(duì)以后的焊道提高了晶粒細(xì)化而改進(jìn)了焊接性能。因此，可不犧牲焊接性能而可以增加焊絲的供送。
對(duì)焊接沉積的進(jìn)一步改進(jìn)可以通過把電流通到焊絲金屬來預(yù)熱焊絲，因此使焊池不被“冷”的焊絲激冷。這種技術(shù)稱為“熱絲”。通常熱絲導(dǎo)致很差的缺口韌性，因?yàn)榇蟮暮感Q及低的冷卻速率引起大晶粒生長(zhǎng)和有低的擺錐沖擊韌性值。但是，對(duì)于得到對(duì)單個(gè)焊接體或指狀物要求的寬度必須的以較大的量或較大的方式擺動(dòng)焊蠶，熱絲實(shí)際上改善了焊池的流動(dòng)性及焊接性能。焊蠶仍然很薄，和比類似的熱絲焊蠶冷卻更快，其以直線方式焊接(稱為“窄焊道”)。雖然鎢電極保護(hù)氣體焊-熱絲的變型對(duì)這個(gè)技術(shù)不是重要的，但與增加焊接沉積一樣，其增加了焊絲量。
已焊接了一個(gè)原型的全尺寸零件來證明這個(gè)概念。由于現(xiàn)有設(shè)備的功能限制，只在一次進(jìn)行兩個(gè)指狀物焊接。理想地，可用適當(dāng)設(shè)計(jì)的設(shè)備同時(shí)焊接全部四個(gè)焊接體或指狀物，或任意要求數(shù)目的焊接體或指狀物。本發(fā)明的其它特點(diǎn)在下面說明。
另外，公開了用焊條用來改良或修理尖塔。在渦輪轉(zhuǎn)子的改良或修改方法中使用焊帶使得過程可進(jìn)行更快，可使元件在短時(shí)間內(nèi)返回使用而不需要壓縮時(shí)間表的另外費(fèi)用，因而修理成本及周期時(shí)間減小。由于葉片設(shè)計(jì)的不同，各種葉片設(shè)計(jì)要求不同的沉積焊接金屬量。使用焊條允許增加焊接沉積速度，使用高線的焊條金屬可得到高質(zhì)量的焊接。


圖1A是一個(gè)控制級(jí)轉(zhuǎn)子的橫剖面圖，其中原始葉根已經(jīng)加工掉，圖中示出了現(xiàn)有技術(shù)的在加工過表面上沉積的堆焊；圖1B是圖1A的控制級(jí)轉(zhuǎn)子的剖面圖，示出了在現(xiàn)有技術(shù)的堆焊中加工出的指狀物；圖2A是一個(gè)控制級(jí)轉(zhuǎn)子的剖面圖，其中原來的葉根已經(jīng)加工掉，示出了在現(xiàn)有技術(shù)的加工過的表面上的堆焊上由多個(gè)焊炬沉積上的多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體；圖2B是圖2A的控制級(jí)轉(zhuǎn)子的剖面圖，示出了按照本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，各個(gè)單個(gè)的分開的焊接體已形成有多層焊接金屬，各層由一個(gè)單焊道形成。
在圖1A和1B中示出了現(xiàn)有技術(shù)的修理或改良一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子的方法。圖1A示出了一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子5，其中原始葉根已加工掉，已準(zhǔn)備好一個(gè)加工過的表面3。圖1B也示出了同樣的渦輪轉(zhuǎn)子5，其中在渦輪轉(zhuǎn)子5的加工過的表面3上形成一個(gè)單一的焊接體1。焊接體1包括多個(gè)單個(gè)的焊道(如圖1A所示)。如圖1B所示，沉積的焊接體1的大部分被加工掉，形成了多個(gè)單個(gè)的指狀物7，用來與替換的渦輪葉片(未示出)接合。
在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，一種改良或修理渦輪元件的方法包括如下步驟提供一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子5，在渦輪轉(zhuǎn)子5上制備一個(gè)焊接的表面3，和沉積上焊絲金屬27以便在制備的焊接的表面3或在一個(gè)單個(gè)的焊接體或焊接塊2上形成多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體11、13、15、17，單個(gè)的焊接體或焊接塊2是按照現(xiàn)有技術(shù)的方法堆焊到單獨(dú)的凸塊起始處。該改良或修理方法還包括形成多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體11、13、15、17以形成多個(gè)指狀物12、14、16、18的步驟。在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，通過機(jī)加工多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體11、13、15、17形成指狀物12、14、16、18。沉積焊絲金屬27的步驟還包括通過保持在單個(gè)的焊接體11、13、15、17之間的間距同時(shí)形成至少兩個(gè)單個(gè)的分開的焊接體11、13、15、17。在沉積步驟中，可通過把電流25加到焊絲上或用其它合適的裝置來加溫或加熱焊絲27。各多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體11、13、15、17由多個(gè)所述的焊絲27的層29形成。各層由一單一焊道28或由帶形焊接材料的單一焊蠶形成。在形成各焊接體11、13、15、17的步驟中，一次形成一層29，焊炬21、23可以以足夠形成預(yù)定的焊接體寬度W的振幅擺動(dòng)，和焊炬相應(yīng)于修理表面以預(yù)定速度移動(dòng)以達(dá)到要求的焊接體高度H。
圖2A和2B示出了按照本發(fā)明的改良或修理方法。圖2A示出一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子5，其中原始葉根已加工掉，并制出加工過的表面3。制備要焊接的加工過的表面3包括下面步驟把轉(zhuǎn)子5裝在車床上，檢查及記錄轉(zhuǎn)子5的重要尺寸作為車床的參考，移出舊的葉片(如果它們還沒有切掉)，移去尖頂件(steeples)或葉片的附根據(jù)熱影響區(qū)應(yīng)放在何處移去在葉片附件下面的附加的根部。隨后用溶劑及不起毛的布清潔要焊接的表面3以除去油、屑、灰等。隨后進(jìn)行磁性探傷(MT)的檢查表面或近表面處的缺陷使焊接過程不會(huì)引起裂紋的開裂。再進(jìn)行超聲探傷以證實(shí)從切削中未帶來缺陷或服務(wù)條件沒引起任何缺陷。再清潔要焊接的表面。另外，在焊接前通常要預(yù)熱要修理的元件的焊接區(qū)及相鄰的區(qū)域。
圖2A也示出準(zhǔn)備好的轉(zhuǎn)子的要焊接的表面3，其中在轉(zhuǎn)子的要焊接的表面3或在單一的焊接體2上形成多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體11、13、15、17，單一的焊接體2是按現(xiàn)有技術(shù)的方法堆焊在單個(gè)凸塊要起始的地方。多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體11、13、15、17可以同時(shí)形成，而沒有電弧偏斜問題和近端焊弧的交互作用的問題，因?yàn)樵趩蝹€(gè)的分開的焊接體11、13、15、17之間的空間19產(chǎn)生的焊弧的物理結(jié)構(gòu)和磁性的分離。在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，2T中稱為“電弧偏斜”的焊弧的不穩(wěn)定性大大減少或輕微到探測(cè)不出。這通過使焊弧脈動(dòng)而完成。而焊弧的脈動(dòng)又通過加上產(chǎn)生比非脈動(dòng)的電弧剛性更好的焊弧的脈動(dòng)電流來完成。因此，焊弧柱的剛性越好，則對(duì)焊弧不穩(wěn)定性的抗力越好。但是，制造單個(gè)的焊接體11、13、15、17可達(dá)到最好的結(jié)果的解決方法，因?yàn)橥ㄟ^制造各個(gè)凸塊使電通量場(chǎng)斷開。使用只制造一個(gè)大塊的老的方法中，使用兩個(gè)或更多的焊矩，特別是焊弧相互很接近時(shí)，焊弧偏斜是很明顯的。在老的方法中，唯一的解決該問題的方案是把焊炬相互隔開一定的距離。本發(fā)明的方法解決了這一問題，因?yàn)橐划?dāng)開始堆焊，電通量場(chǎng)是斷開的。凸塊突起的高度越高，電通量減小更多。通過協(xié)調(diào)焊矩21、23的運(yùn)動(dòng)使得它們沿相同方向運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)，因而保持焊矩21、23間的最大距離，也進(jìn)一步減小了焊弧的不穩(wěn)定性。由間隔19隔開的多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體11、13、15、17，與現(xiàn)有技術(shù)如圖1A所示的一個(gè)大的焊接體1相比，也對(duì)單個(gè)分開的焊接體11、13、15、17提供了在焊接中更小的殘余應(yīng)力。這是因?yàn)殚g隔19用作單個(gè)分開的焊接體11、13、15、17的應(yīng)力釋放。另外，較少的焊道導(dǎo)致對(duì)焊接件有較少的總的熱輸入。
圖2A示出兩個(gè)焊炬21、23單獨(dú)或同時(shí)使用。但是，根據(jù)具體的焊接修理的要求，任意數(shù)目的焊炬可同時(shí)使用。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，四個(gè)焊炬同時(shí)使用。實(shí)際上，所用的焊炬的數(shù)目與對(duì)最終修理產(chǎn)品要求的單個(gè)分開的焊接體的數(shù)目相匹配。使用兩個(gè)焊炬對(duì)于任何一定的焊接作業(yè)可縮短一半的焊接時(shí)間。由間隔19分開的單個(gè)的焊接體11、13、15、17的堆焊(如圖2所示)與現(xiàn)有技術(shù)的矩形焊接體1(圖1)相比，也減小了必須沉積的焊接金屬的總量。使用多個(gè)焊炬21、23沉積出單個(gè)分開的焊接體11、13、15、17，比現(xiàn)有技術(shù)的方法減小了焊接時(shí)間及之后的機(jī)加工時(shí)間。
各焊接體11、13、15、17可由多個(gè)沉積的焊接金屬層29形成(圖2A、2B)。在第一最佳實(shí)施例中，通過以對(duì)形成要求的焊蠶寬度W足夠的振幅沿與焊接垂直的方向擺動(dòng)焊矩21、23，一種固體基的焊接金屬沉積到要求的高度，隨后單個(gè)分開的焊接體由在一個(gè)單焊道中沉積的單一焊蠶28形成整個(gè)層29。要求焊矩21、23沿同樣方向擺動(dòng)以保持焊矩21、23之間的最大距離D，這進(jìn)一步幫助減小焊弧的不穩(wěn)定性。使用高脈沖電流同時(shí)擺動(dòng)焊矩允許焊接金屬的沉積速度更高，但仍提供較薄的焊蠶高度H。這個(gè)方法通過沉積出能更快冷卻的較薄的焊蠶對(duì)以后的焊接層道次中提供改進(jìn)的晶粒細(xì)化而改進(jìn)了焊接性能。因此，可以不犧牲焊接性能而提高焊接金屬的供送速率。在第二最佳實(shí)施例中，可沉積出稱為“窄焊道”的單一的大焊蠶以形成單一焊蠶28。在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，使用焊帶代替焊絲，其改變了焊蠶的形狀及使用不同的熱輸入?？梢允褂眯碌暮笌У淖冃鸵缘玫礁〉暮感Q尺寸或?qū)拥暮穸?，這可以改善晶粒細(xì)化及焊接性能。另外，通過使用新設(shè)計(jì)以機(jī)械方式形成焊帶以增加其剛性，可以有超長(zhǎng)的伸出。使用焊帶材料及使用超長(zhǎng)的伸出可改進(jìn)焊接金屬沉積速度及改善焊接性能。
當(dāng)焊絲供到焊矩21、23(圖2A)同時(shí)把電源(未示出)的電流加到焊絲27上，焊絲27被加熱。把電流加到焊絲金屬以預(yù)熱焊絲的技術(shù)，使得不會(huì)用冷的焊絲激冷焊池而進(jìn)一步改進(jìn)了焊接沉積。在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，在焊絲接觸焊池前，由穩(wěn)壓電源來的交流電電阻加熱焊絲到接近其熔點(diǎn)。通常，這種方法導(dǎo)致很差的擺錘式V槽沖擊韌性，因?yàn)樾纬闪死鋮s很慢的大焊蠶，因而使大晶粒長(zhǎng)大和有低的擺錘沖擊值。另外，這些大焊蠶阻止隨后的回火。但是，通過如上所述的在沉積的同時(shí)擺動(dòng)焊蠶，焊蠶的高度H可保持比較薄，并且冷卻足夠快而避免上述問題。加溫或加熱焊絲27也改善了焊池的流動(dòng)性，因此便于形成要求的焊蠶寬度W的焊蠶(如上所述)。通過在沉積階段把電流加到焊絲上，可以使焊接金屬供應(yīng)速度增加，和有更高的沉積速度。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，通過機(jī)加工，可由多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體11、13、15、17形成多個(gè)指狀物12、14、16、18。把多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體加工成多個(gè)指狀物的步驟包括把要修理的轉(zhuǎn)子放在車床上，隨后進(jìn)行三次基本的切削。用刀具進(jìn)行三道次的切削，稱為粗切削、半終切削及終切削。在這三個(gè)情形下，開始切削是外徑，隨后是內(nèi)和外面(或左或右外面)。接下來，加工指狀物的里面，以便根據(jù)機(jī)器的設(shè)定，從左到右或從右到左。對(duì)指狀物里面的加工稱為切入或切削。之后，進(jìn)行半徑切削，也就是對(duì)各指狀物的頂和底半徑的加工。
在一個(gè)原型的焊接修理中證實(shí)的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例使用兩個(gè)焊矩同時(shí)形成兩個(gè)焊道，各焊道的加溫電流為30-70安培，0.045英寸到0.62英寸直徑的焊絲27以每秒0.4-0.8周期的擺動(dòng)速率擺動(dòng)約0.4-1.2英寸，焊接速度為每分約2.5-3.6英寸，焊絲供送速度為每分約65-250英寸，形成約0.5-1.5英寸的焊蠶寬度W。保持單個(gè)的分開的焊接體11、13、15、17之間約0.1英寸的間隔19，沒有發(fā)生同時(shí)存在焊弧之間的明顯的相互作用。在焊接時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子表面3得到焊接速度為每分2.5-3.6英寸，得到焊蠶高度H為約0.065-0.080英寸。在另一實(shí)施例中，焊絲金屬27是9Cr改型鋼，如US4897519所述。
另外，公開了使用焊帶進(jìn)行尖頂件(steeple)的改良和修理。在渦輪轉(zhuǎn)子的改良和修理過程中使用焊條使加工可更快完成因而使元件可在更短的時(shí)間內(nèi)返回工作而降低了成本和加工周期。由于葉片設(shè)計(jì)的不同，不同的葉片設(shè)計(jì)要求不同量的沉積金屬。使用焊帶允許增加焊接沉積速度。使用高純的焊帶金屬也得到高質(zhì)量焊接件。
使用與要求的焊接修理的寬度和形狀相應(yīng)的具體寬度的焊帶進(jìn)行修理。對(duì)于專門的修理，如要求較寬寬度的結(jié)構(gòu)，使用肩并肩的多條焊帶以得到要求的焊接寬度。使用肩并肩的多條焊帶由于制造中的限制及可得到的焊帶寬度的限制。這種改良或修理方法可用于高壓或低壓轉(zhuǎn)子和渦輪元件。優(yōu)選地，在制備好的表面上沉積360度的堆焊。在繞著轉(zhuǎn)子的道次數(shù)目取決于要進(jìn)行的修理和葉片的接頭的要求的高度，在一個(gè)最佳實(shí)施例中，一個(gè)焊帶的焊道等于一層，可以選擇焊帶使得焊帶的寬度可提高最終焊接要求的寬度。各以后的道次起著對(duì)前面的道次熱處理及回火的作用，因此改進(jìn)了焊接件的特性。
對(duì)全部轉(zhuǎn)子鍛件零件和各種盤鍛件進(jìn)行了低壓轉(zhuǎn)子焊接。使用的焊帶材料及焊接方法幫助確定最終的焊接件的各種性能。考慮的一些焊接性能是高周疲勞、應(yīng)力腐蝕裂紋、韌性、斷裂機(jī)理和焊接件的幾何尺寸。對(duì)控制級(jí)范圍的高壓渦輪合金進(jìn)行了大多數(shù)焊接修理。進(jìn)行典型的改良或修理以進(jìn)行設(shè)計(jì)改為側(cè)進(jìn)口或三銷結(jié)構(gòu)。由于高壓蒸汽穿過這些區(qū)域，這些區(qū)域經(jīng)受高溫及高應(yīng)力。對(duì)高壓轉(zhuǎn)子使用焊帶進(jìn)行這些修理中，重要的是考慮熱影響區(qū)中的應(yīng)力和工作溫度以便合適地考慮在葉片連接區(qū)域中的蠕變。
一當(dāng)焊帶已沉積上要求的高度及寬度，使用傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)最終的焊接體進(jìn)行機(jī)加工以提供要求的葉片連接。優(yōu)選地，直的側(cè)進(jìn)入、或彎曲的側(cè)進(jìn)入、倒T形槽、或各種帶銷的結(jié)構(gòu)可機(jī)加工在焊接體中以提供要求的葉片連接裝置。
但是，應(yīng)明白，即使上面已說明了本發(fā)明的許多特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，以及本發(fā)明的細(xì)節(jié)和作用，上面公開只是說明而已，在本發(fā)明的原理范圍內(nèi)，在下面的權(quán)利要求書表達(dá)的寬的意思范圍內(nèi)，可詳細(xì)地進(jìn)行改變，特別是零件的形狀、尺寸和安排作出改變。
權(quán)利要求
1．一種修理或改良渦輪轉(zhuǎn)子的方法，包括下面步驟提供一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子(5)；在所述的渦輪轉(zhuǎn)子(5)上準(zhǔn)備一個(gè)要焊接的表面(3)；在所述的要焊接的表面(3)上沉積上焊絲金屬(27)以形成多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)；和其中多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)形成多個(gè)指狀物(12、14、16、18)。
2．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的沉積步驟還包括同時(shí)形成至少兩個(gè)所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)。
3．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于還包括在所述的沉積步驟中通過把電流(25)加到所述的焊絲(27)上加熱所述的焊絲(27)。
4．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于在所述的沉積步驟中用多個(gè)所述的焊絲金屬(27)的層(29)形成所述的多個(gè)單個(gè)分開的焊接體(11、13、15、17)。
5．按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于所述的沉積步驟還包括以足夠形成預(yù)定的焊接體寬度W和焊蠶高度H的振幅擺動(dòng)焊炬(21、23)形成各所述的單一焊蠶(28)。
6．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于沉積形成所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)的焊接金屬(27)是可鍛型的。
7．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于沉積形成所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)的焊接金屬(27)是合金帶。
8．按照權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述的合金帶(27)用延伸的伸出型式沉積以形成單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)。
9．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)用埋弧焊進(jìn)行沉積。
10．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)使用氣體保護(hù)金屬極電弧焊進(jìn)行沉積。
11．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)使用鎢電極惰性氣體保護(hù)焊或等離子電弧焊進(jìn)行沉積。
12．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)使用電渣焊進(jìn)行沉積。
13．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于還包括機(jī)加工所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)以形成多個(gè)指狀物(12、14、16、18)的步驟。
14．一種修理或改良渦輪轉(zhuǎn)子的方法，包括下列步驟提供一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子(5)；在所述的渦輪轉(zhuǎn)子(5)上準(zhǔn)備一個(gè)要焊接的表面(3)；在所述的要焊接的表面(3)上沉積上焊絲金屬(27)以形成多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)；其中多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)形成多個(gè)指狀物(12、14、16、18)；和所述的沉積步驟還包括同時(shí)形成至少兩個(gè)所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)。
15．按照權(quán)利要求14的方法，其特征在于還包括在所述的沉積步驟中通過把電流(25)加到所述的焊絲(27)上加熱所述的焊絲(27)。
16．按照權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述的沉積步驟還包括用單個(gè)焊蠶(28)形成各所述的層(29)；用多個(gè)所述的焊絲金屬(27)的層(29)形成所述的多個(gè)單個(gè)分開的焊接體(11、13、15、17)。
17．按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于所述的沉積步驟還包括以足夠形成預(yù)定的焊接體寬度W和焊蠶高度H的振幅擺動(dòng)焊炬(21、23)形成各所述的單一焊蠶(28)。
18．按照權(quán)利要求14的方法，其特征在于沉積形成所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)的焊接金屬(27)是可鍛型的。
19．按照權(quán)利要求14的方法，其特征在于沉積形成所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)的焊接金屬(27)是合金帶。
20．按照權(quán)利要求19的方法，其特征在于所述的合金帶(27)用延伸的伸出型式沉積以形成單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)。
21．按照權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)用埋弧焊進(jìn)行沉積。
22．按照權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)使用氣體保護(hù)金屬極電弧焊進(jìn)行沉積。
23．按照權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)使用鎢電極惰性氣體保護(hù)或等離子電弧焊進(jìn)行沉積。
24．按照權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)使用電渣焊進(jìn)行沉積。
25．按照權(quán)利要求14的方法，其特征在于還包括機(jī)加工所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)以形成多個(gè)指狀物(12、14、16、18)的步驟。
26．一種修理或改良渦輪轉(zhuǎn)子的方法，包括下列步驟提供一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子(5)；在所述的渦輪轉(zhuǎn)子(5)上準(zhǔn)備一個(gè)要焊接的表面(3)；在所述的要焊接的表面(3)上沉積上焊絲金屬(27)以形成多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)；其中多個(gè)單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)形成多個(gè)指狀物(12、14、16、18)；所述的沉積步驟還包括同時(shí)形成至少兩個(gè)所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)；和還包括在所述的沉積步驟中通過把電流(25)加到所述的焊絲(27)上加熱所述的焊絲(27)。
27．按照權(quán)利要求26的方法，其特征在于所述的沉積步驟還包括用單一的焊蠶(28)形成各所述的層(29)；用多個(gè)所述的焊絲金屬(27)的層(29)形成所述的多個(gè)單個(gè)分開的焊接體(11、13、15、17)。
28．按照權(quán)利要求27的方法，其特征在于所述的沉積步驟還包括以足夠形成預(yù)定的焊接體寬度W和焊蠶高度H的振幅擺動(dòng)焊炬(21、23)形成各所述的單一焊蠶(28)。
29．按照權(quán)利要求26的方法，其特征在于沉積形成所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)的焊接金屬(27)是可鍛型的。
30．按照權(quán)利要求26的方法，其特征在于沉積形成所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)的焊接金屬(27)是合金帶。
31．按照權(quán)利要求30的方法，其特征在于所述的合金帶(27)用延伸的伸出型式沉積以形成單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)。
32．按照權(quán)利要求26的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)用埋弧焊進(jìn)行沉積。
33．按照權(quán)利要求26的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)使用氣體保護(hù)金屬極電弧焊進(jìn)行沉積。
34．按照權(quán)利要求26的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)使用鎢電極氣體保護(hù)焊或等離子電弧焊進(jìn)行沉積。
35．按照權(quán)利要求26的方法，其特征在于所述的焊接金屬(27)使用電渣焊進(jìn)行沉積。
36．按照權(quán)利要求26的方法，其特征在于還包括機(jī)加工所述的單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)以形成多個(gè)指狀物(12、14、16、18)的步驟。
37．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的沉積步驟還包括以每秒0.4-0.8周期的擺動(dòng)速率和以0.4-1.2英寸的振幅擺動(dòng)焊絲焊接金屬(27)和焊炬。
38．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的沉積步驟還包括使用足夠形成預(yù)定的焊蠶高度(H)的焊接運(yùn)動(dòng)速度及焊絲(27)的供送速度。
39．按照權(quán)利要求38的方法，其特征在于所述的沉積步驟還包括使用焊接運(yùn)動(dòng)速度為2.5-3.5英寸/分和焊絲(27)的供送速度為65-250英寸/分。
40．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的沉積步驟還包括保持在單個(gè)的分開的焊接體(11、13、15、17)之間的間隔(19)為約0.1英寸。
全文摘要
本發(fā)明涉及修理渦輪元件的損壞或磨損表面或把老設(shè)計(jì)改良為新的設(shè)計(jì)。這一改進(jìn)的方法可用于高壓及低壓渦輪元件。本方法包括在一渦輪轉(zhuǎn)子(5)的準(zhǔn)備好的表面(3)上沉積多個(gè)單個(gè)分開的焊接體(11、13、15、17)。這些焊接體形成單個(gè)的指狀物(12、14、16、18),而不需要從單一的矩形焊接體加工成單個(gè)指狀物(12、14、16、18)。多個(gè)焊接體(11、13、15、17)使用焊炬(21、23)同時(shí)形成,在各焊接體(11、13、15、17)之間有間隔(19)而沒有通常與相鄰的分開的焊弧有關(guān)的問題。各單個(gè)分開的焊接體(11、13、15、17)由多個(gè)焊接金屬(27)的層(29)形成,各層(29)由單一擺動(dòng)的焊蠶(28)形成有預(yù)定的寬度(W)?？稍诤附z(27)供入熔池前,通電流(25)預(yù)熱。可改變焊接參數(shù)以增加焊接沉積量而不會(huì)對(duì)焊接體機(jī)械性能有壞的影響。本發(fā)明通過同時(shí)用多焊矩(21,23)可縮短修理工作的周期而不引起焊弧的不穩(wěn)定性。本發(fā)明通過改變成堆焊比夾持葉片的指狀物(12、14、16、18)稍大的多個(gè)焊接體(11、13、15、17),由于不需要對(duì)控制級(jí)對(duì)單一焊接體機(jī)加工出多個(gè)指狀物而減少修理工作周期。
文檔編號(hào)B65B1/06GK1313800SQ99809843
公開日2001年9月19日 申請(qǐng)日期1999年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月19日
發(fā)明者丹尼斯·R·阿莫斯, 肯特·W·比東 申請(qǐng)人:西門子西屋動(dòng)力公司