專利名稱：焊接渦輪發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及渦輪發(fā)動機(jī)，尤其涉及焊接渦輪發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的方法。
背景技術(shù)：
至少一些已知的渦輪發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子包括幾個轉(zhuǎn)子部分，其中，每一個轉(zhuǎn)子部分可以在不同的溫度和/或不同的工作條件下工作。例如，這種轉(zhuǎn)子可以包括一個高壓轉(zhuǎn)子部分，一個中間壓力轉(zhuǎn)子部分和一個低壓轉(zhuǎn)子部分。因?yàn)椴煌霓D(zhuǎn)子部分在一個轉(zhuǎn)子內(nèi)受到不同的工作溫度和壓力作用，因此，至少一些已知的轉(zhuǎn)子部分用不同的材料制造。已知的連接該不同的轉(zhuǎn)子部分的方法包括螺釘擰緊和/或焊接該部分在一起。在普通使用的二種連接方法之間，將該各部分用螺釘連接在一起一般是最不希望的，因?yàn)橐话闶褂玫姆ㄌm和螺釘使該渦輪轉(zhuǎn)子比所希望的長，并增加該轉(zhuǎn)子的原來重量。
如果這種焊接工藝方法需要多個焊道，中間加工和/或多次熱處理，則已知的焊接轉(zhuǎn)子部分的方法可使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋。特別是，多個焊接焊道可能在完成的焊接中增大缺陷的危險。例如，每一個焊道可以增加夾帶焊渣，使熔化不足或出現(xiàn)多孔性的危險，這可成為嚴(yán)重裂紋的開始點(diǎn)。
為了便于減小與將轉(zhuǎn)子部分焊接在一起相關(guān)的危險，至少一種焊接方法使用一個焊接電極，在要焊接的連接處的每一側(cè)上建立一個層。然而，這種焊接方法增加焊接接縫的寬度，這可增加夾帶焊渣和/或出現(xiàn)多孔性的危險。另一種焊接方法使用由不同的復(fù)合材料制成的分層的轉(zhuǎn)換片。然而，一般來說，這種轉(zhuǎn)換片的材料強(qiáng)度比轉(zhuǎn)子的其他部分低。結(jié)果，必需特別小心地搬運(yùn)轉(zhuǎn)子，以避免損壞或削弱該轉(zhuǎn)換片。另外，這種轉(zhuǎn)子的末端必需熱處理，這可使轉(zhuǎn)換片的復(fù)合材料溫度過高。
發(fā)明概述在一個方面中，提供了將每一個轉(zhuǎn)子部分包括一個焊接表面的轉(zhuǎn)子的二個部分焊接在一起的方法。該方法包括放置第一個轉(zhuǎn)子部分的焊接表面，使它與第二個轉(zhuǎn)子部分的焊接表面基本上齊平。該方法還包括放置該第二部分，使它基本上與和該第一部分外接的法蘭齊平，使得在它們之間形成一個槽口連接。
在另一個方面中，提供了渦輪發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子包括第一轉(zhuǎn)子部分，該部分包括一個焊接表面和一個法蘭。該轉(zhuǎn)子還包括一個包括一個焊接表面的第二轉(zhuǎn)子部分。該第一轉(zhuǎn)子的焊接表面放置成基本上與該第二轉(zhuǎn)子的焊接表面齊平，和該第二轉(zhuǎn)子部分基本上與該法蘭齊平，使得在該第一轉(zhuǎn)子部分和第二轉(zhuǎn)子部分之間形成一個槽口連接。
在又一個方面中，提供了焊接轉(zhuǎn)子的二個部分的一個系統(tǒng)。該二個轉(zhuǎn)子部分包括一個焊接表面，該第一轉(zhuǎn)子部分的焊接表面放置成基本上與第二轉(zhuǎn)子部分的焊接表面齊平，和該第二轉(zhuǎn)子部分基本上與和該第一轉(zhuǎn)子部分外接的法蘭齊平，使得在它們之間形成一個槽口連接。該系統(tǒng)包括與該轉(zhuǎn)子連接的一個殼體，使得由該殼體形成的腔基本上與該連接外接。該腔泵至真空，以便在其中形成真空或部分真空。該系統(tǒng)還包括在該腔內(nèi)焊接該連接的一個電子束發(fā)生器。
附1為包括要焊接的至少二個部分的一個渦輪轉(zhuǎn)子的示例性圖；圖2為可以用于連接

圖1所示的轉(zhuǎn)子部分的一個示例性焊接接縫的圖；圖3為一個示例性焊接接縫的截面圖，它表示如何使電子束能量向著焊接圓的末端分布；和圖4為圖2所示的并包括插入焊接在一起的連接的部分之間的墊片的連接的一部分的圖。
優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)說明圖1為包括至少二個要焊接的轉(zhuǎn)子部分的渦輪轉(zhuǎn)子100的示例性圖。具體地是，轉(zhuǎn)子100包括第一轉(zhuǎn)子部分102和第二轉(zhuǎn)子部分104，它們在焊接接縫106處連接在一起。連接106包括一個徑向外部分107和從連接的外部分107徑向向內(nèi)的一個徑向內(nèi)部分108。在轉(zhuǎn)子部分102和104之間的連接106內(nèi)形成空腔109。殼體110與轉(zhuǎn)子100連接，使得殼體110形成一個與連接106外接和在圓周方向圍繞著轉(zhuǎn)子100延伸的腔111。利用真空泵除去腔111中的空氣，使得腔111內(nèi)產(chǎn)生真空。一個低壓電子束發(fā)生器112在腔111內(nèi)與殼體110連接，并且對準(zhǔn)，使得可將電子束引向該連接的外部分107，以便于焊接轉(zhuǎn)子部分102和104。
圖2為可以用于焊接轉(zhuǎn)子部分102和104的一個示例性的焊接接縫106。該連接106帶有第一轉(zhuǎn)子部分的表面114，并與第二轉(zhuǎn)子部分表面116對準(zhǔn)，并壓緊接觸，基本上與該第二轉(zhuǎn)子部分表面116齊平。在該示例性實(shí)施例中，沿著第一部分的內(nèi)表面120，槽口118向外延伸，并且基本上與該第一轉(zhuǎn)子部分表面114垂直。槽口118包括一個徑向的上表面124，該上表面基本上與第一部分的內(nèi)表面120平行和基本上與該第一轉(zhuǎn)子部分表面114垂直。第二轉(zhuǎn)子部分內(nèi)表面122基本上與該槽口的上表面124齊平，使得沿著該連接的內(nèi)部分108形成一個槽口連接125。
在開始焊接工作前，將轉(zhuǎn)子部分102和104放在一起，形成連接106。具體地是，第二轉(zhuǎn)子部分表面116放置成基本上與第一轉(zhuǎn)子部分表面114齊平，和第二部分內(nèi)表面122放置成基本上與該槽口的上表面124齊平，以形成槽口連接125。槽口連接125便于連接該轉(zhuǎn)子部分102和轉(zhuǎn)子部分104。轉(zhuǎn)子部分102和轉(zhuǎn)子部分104的連接也形成空腔109。另外，轉(zhuǎn)子100可以包括由多個部分形成的幾個連接106。
殼體110與轉(zhuǎn)子100連接，使得該殼體110形成基本上與該連接106外接的腔111。從腔111除去空氣，形成真空包圍的連接106。因?yàn)榍?11與轉(zhuǎn)子100的有限的部分外接，因此不需要大的真空殼體。
在腔111內(nèi)建立真空后，進(jìn)行焊接工藝方法。具體地是，在該示例性實(shí)施例中，焊接利用電子束發(fā)生器112進(jìn)行。在腔111內(nèi)，電子束發(fā)生器112與殼體110連接，使得該發(fā)生器可在圓周上圍繞轉(zhuǎn)子100運(yùn)動。電子束發(fā)生器112與該連接106對準(zhǔn)，可使電子束被引向該連接的外部分107。電子束的強(qiáng)度可使它穿過該連接的內(nèi)部分108。
電子束發(fā)生器112圍繞著轉(zhuǎn)子100的圓周轉(zhuǎn)動，同時將電子束引導(dǎo)至該連接的外部分107上。另一種方式是，電子束保持靜止，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，在電子束和轉(zhuǎn)子圓周之間形成相對移動。在轉(zhuǎn)動過程中，電子束加熱該第一轉(zhuǎn)子部分的表面114和第二轉(zhuǎn)子部分的表面116，產(chǎn)生焊接的金屬。表面114產(chǎn)生的焊接金屬與表面116產(chǎn)生的焊接金屬融合，使得轉(zhuǎn)子部分102和轉(zhuǎn)子部分104連接成一個單一的件。因?yàn)殡娮邮l(fā)生器112只需圍繞著連接106的圓周作一次完全的回轉(zhuǎn)，將表面114和116連接，因此與需要多個焊道的焊接方法比較，焊接缺陷可減少。具體地是，因?yàn)椴劭谶B接125可使轉(zhuǎn)子部分102和104之間的配合更緊，因此電子束發(fā)生器112只需一次通過電子束可產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的更堅(jiān)固的焊接。結(jié)果，產(chǎn)生不容易產(chǎn)生脆性和開始出現(xiàn)裂紋的結(jié)構(gòu)上強(qiáng)大的焊接。
在焊接工藝方法中，槽口118可防止包括焊接金屬和/或焊渣的材料落入空腔109中，使得表面114的焊接金屬和表面116的焊接金屬之間的融合達(dá)到最優(yōu)。這樣，轉(zhuǎn)子部分102和轉(zhuǎn)子部分104之間的連接結(jié)構(gòu)上堅(jiān)固，并可減少脆性和焊縫內(nèi)的裂紋。另外，通過防止焊接金屬落入空腔109中，可在轉(zhuǎn)子部分102和104之間得到更完全的連接，缺陷更少。
在該示例性實(shí)施例中，電子束發(fā)生器112通過表示電子束強(qiáng)度的一個范圍的功率工作。因?yàn)檫B接的外部分107的圓周比連接的內(nèi)部分108大，可以在完成連接的外部分107的周圍的焊接前，防止沿著連接的內(nèi)部分108的焊接完成。具體地是，減小電子束的強(qiáng)度可防止焊接接縫的內(nèi)部分108的各部分多于一次。因此，不需沿著連接的內(nèi)部分108焊接多于一次，可以完成沿著連接的外部分107的焊接。
在完成焊接后，局部地在該連接附近的區(qū)域使用釋放應(yīng)力的熱處理過程。需要這個過程是因?yàn)槎€理由。第一個理由是任何焊接工藝方法會在連接處留下殘余應(yīng)力。第二個理由是多數(shù)材料在焊接的熱作用區(qū)域冶金性能會轉(zhuǎn)換，這可改變材料的機(jī)械性質(zhì)。這種熱處理的溫度根據(jù)要焊接的材料選擇。在熱處理過程后，在連接處的材料性質(zhì)大部分恢復(fù)至接近原來的基本材料性質(zhì)。
圖4為包括插入在焊接的轉(zhuǎn)子部分102和104之間的墊片130的連接106的一部分的放大圖。在該示例性實(shí)施例中，第一轉(zhuǎn)子部分102和第二轉(zhuǎn)子部分104由不同的材料制成，因?yàn)樗鼈兊牟牧闲再|(zhì)，不可能直接互相焊接耐不使脆性或在連接106中裂紋發(fā)展的危險增加。墊片130插入第一轉(zhuǎn)子部分102和第二轉(zhuǎn)子部分104之間，以便于在焊接工藝方法中，使二種材料恰當(dāng)?shù)厝刍?。具體地是，當(dāng)將墊片130放置在轉(zhuǎn)子部分102和104之間時，墊片的第一表面132基本上與上述第一轉(zhuǎn)子部分的表面114齊平，和墊片的相對的第二表面134基本上與上述第二轉(zhuǎn)子部分的表面116齊平。另外，當(dāng)將墊片130插入轉(zhuǎn)子部分102和104之間時，墊片的內(nèi)表面136基本上與槽口的上表面124齊平。墊片130的寬度138的尺寸可使上述第二轉(zhuǎn)子部分的內(nèi)表面122放置成基本上與槽口的上表面124齊平。
用于制造墊片130的材料可根據(jù)用于制造第一轉(zhuǎn)子部分102和第二轉(zhuǎn)子部分104的材料選擇。例如，如果將CrMoV鋼與NiCrMoV鋼焊接，則可以使用由該二種鋼合金的中間成分制成的墊片。另外，如果將鋼料與鎳基合金連接，則可以使用諸如合金625或合金617一類的合金。在每一種實(shí)施例中，選擇相應(yīng)厚度的墊片材料，以便于防止在焊接中形成潛在有害的相，同時保持焊接金屬的性質(zhì)。在該示例性實(shí)施例中，當(dāng)將墊片130插入轉(zhuǎn)子部分102和轉(zhuǎn)子部分104之間時，使用與上述焊接工藝方法和熱處理過程相同的過程。
在開始焊接工作前，將轉(zhuǎn)子部分102，104和墊片130放在一起，形成連接106。具體地是，放置墊片的第一表面132，使它基本上與上述第一轉(zhuǎn)子部分的表面114齊平，和放置墊片的第二表面134，使它基本上與上述第二轉(zhuǎn)子部分的表面116齊平。另外，使墊片的內(nèi)表面136基本上與槽口的上表面124齊平。墊片寬度138的尺寸，使得第二轉(zhuǎn)子部分的內(nèi)表面122基本上與槽口的上表面124齊平。轉(zhuǎn)子部分102和104與墊片130的連接也形成空腔109。另一種方式是，轉(zhuǎn)子100可以包括由多個轉(zhuǎn)子部分和多個墊片形成的幾個連接106。
殼體110與轉(zhuǎn)子100連接，使得腔111基本上與連接106外接。從腔111中除去空氣，形成包圍連接106的真空。因?yàn)榍?11與轉(zhuǎn)子100的有限的部分外接，因此不需要大的真空殼體。在腔111內(nèi)建立真空后，可在腔111內(nèi)，利用與殼體110連接的電子束發(fā)生器112進(jìn)行焊接工藝方法。
在電子束發(fā)生器112圍繞轉(zhuǎn)子100轉(zhuǎn)動的過程中，電子束加熱表面114和表面116，產(chǎn)生焊接金屬。另外，墊片130被電子束熔化。熔融的墊片130與在第一側(cè)上的轉(zhuǎn)子金屬融合，將轉(zhuǎn)子部分102和轉(zhuǎn)子部分104連接成一個單一的件。在該示例性實(shí)施例中，電子束發(fā)生器112完成圍繞連接106的圓周的一次轉(zhuǎn)動。另外，當(dāng)該轉(zhuǎn)動接近完成時，電子束發(fā)生器112的強(qiáng)度減小。
在完成焊接后，局部地在該連接附近的區(qū)域上使用釋放應(yīng)力的熱處理過程、這是釋放連接處的殘余應(yīng)力和恢復(fù)金屬材料的性質(zhì)所需要的。根據(jù)要焊接的材料，選擇這個熱處理的溫度。在該墊處理過程后，連接處的材料性質(zhì)大部分恢復(fù)至接近原來的基本材料性質(zhì)。
上述的方法和系統(tǒng)便于有效地焊接渦輪轉(zhuǎn)子，其焊接接縫的脆性力和/或在該連接內(nèi)的裂紋少。具體地是，槽口連接便于將轉(zhuǎn)子部分連接在一起，使得利用電子束發(fā)生器僅通過一次即可焊接。這樣，利用可減少焊縫內(nèi)的缺陷-例如夾帶焊渣或多孔性的方法，可以焊接二個轉(zhuǎn)子部分。另外，可利用所述的方法和系統(tǒng)焊接由不同材料制成的二個轉(zhuǎn)子部分。盡管每一個轉(zhuǎn)子部分具有不同的材料性質(zhì)，所述的墊片可使至少二個轉(zhuǎn)子部分正確地連接在一起。另外，該墊片不影響只需要電子束發(fā)生器通過一次即可焊接的效果。結(jié)果，可利用成本低和可靠的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的連接，將轉(zhuǎn)子部分焊接在一起。
這里用單數(shù)表示的元件或步驟應(yīng)理解為不排除多個所述的文件或步驟，除非明顯說明這種排除以外。另外，提到的本發(fā)明的“一個實(shí)施例”不是要排除，也包括所述特點(diǎn)的其他實(shí)施例的存在。
雖然就焊接渦轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子說明了這里所述的方法和系統(tǒng)，但應(yīng)理解，這里所述的焊接方法和系統(tǒng)不限于渦輪轉(zhuǎn)子。同樣，所示的焊接系統(tǒng)零件不是僅限于所述的具體實(shí)施例，而是可以獨(dú)立地和與這里所述的其他零件分開地使用該焊接系統(tǒng)的零件。
雖然結(jié)合各個具體實(shí)施例說明了本發(fā)明，但業(yè)內(nèi)人士知道，在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)可對本發(fā)明進(jìn)行改變。
零件清單100-渦輪轉(zhuǎn)子102-焊接的轉(zhuǎn)子部分104-第二轉(zhuǎn)子部分106-連接107-連接的外部分108-連接的內(nèi)部分109-空腔110-殼體111-腔112-電子束發(fā)生器114-第一部分表面116-第二部分表面118-槽口120-第一部分的內(nèi)表面122-第二部分的內(nèi)表面124-槽口上表面125-槽口連接130-墊片132-墊片的第一表面134-墊片的第二表面136-墊片的內(nèi)表面138-寬度
權(quán)利要求
1.一種渦輪發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子(100)，所述轉(zhuǎn)子包括一個包括一個焊接表面(114)和一個法蘭的第一轉(zhuǎn)子部分(102)；一個包括一個焊接表面(116)的第二轉(zhuǎn)子部分(104)；所述第一轉(zhuǎn)子的焊接表面被安置成基本上與所述第二轉(zhuǎn)子的焊接表面齊平，使得在其間限定一個焊接接縫(106)，所述第二轉(zhuǎn)子部分基本上與所述法蘭齊平，使得在其間限定一槽口連接(125)，所述槽口連接便于連接所述第一轉(zhuǎn)子部分和所述第二轉(zhuǎn)子部分。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子(100)，其特征為，一個殼體與所述轉(zhuǎn)子連接，使得由該殼體(110)限定的腔(111)基本上與所述的焊接接縫(106)外接，所述腔可保持其中的真空壓力，所述焊接接縫在所述腔內(nèi)由電子束發(fā)生器(112)焊接。
3.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子(100)，其特征為，在該電子束發(fā)生器圍繞所述焊接接縫的一次轉(zhuǎn)動過程中，利用該電子束發(fā)生器(112)焊接所述焊接接縫(106)。
4.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子(100)，其特征為，還包括在所述第一轉(zhuǎn)子部分的表面(114)和所述第二轉(zhuǎn)子部分的表面(116)之間基本上齊平插入的一個墊片(132)，所述墊片便于連接所述第一轉(zhuǎn)子部分和所述第二轉(zhuǎn)子部分。
5.如權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)子(100)，其特征為，所述墊片(130)包括合金材料。
6.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子(100)，其特征為，在所述第一轉(zhuǎn)子部分(102)和所述第二轉(zhuǎn)子部分(104)之間限定一個空腔(109)。
7.一種焊接二個轉(zhuǎn)子部分(102，104)的系統(tǒng)，其中每一個轉(zhuǎn)子部分包括一個焊接表面(114，116)，所述系統(tǒng)包括在該第一轉(zhuǎn)子部分的焊接表面和該第二轉(zhuǎn)子部分的焊接表面之間限定的一個焊接接縫(106)；在該第二轉(zhuǎn)子部分和外接該第一轉(zhuǎn)子部分的一個法蘭之間限定的一個槽口接縫(125)；與該轉(zhuǎn)子連接的一個殼體(110)，使得由所述殼體(110)限定的腔(111)基本上與該焊接接縫外接，所述腔在其中保持真空壓力；和在所述腔內(nèi)焊接所述焊接的一個電子束發(fā)生器(112)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征為，所述電子束發(fā)生器(112)在圍繞所述焊接接縫的一次轉(zhuǎn)動過程中，焊接所述的焊接接縫(106)。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征為，為便于焊接所述焊接接縫(106)，所述電子束發(fā)生器(112)的強(qiáng)度是可以調(diào)節(jié)的。
10.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征為，所述焊接接縫(106)包括一個內(nèi)部分(108)，所述電子束發(fā)生器(112)的強(qiáng)度是可調(diào)節(jié)的以便于焊接所述內(nèi)部分。
全文摘要
提供了將轉(zhuǎn)子(100)的二個部分焊接在一起的方法，其中，每一個轉(zhuǎn)子部分包括一個焊接表面。該方法包括放置第一轉(zhuǎn)子部分(102)的焊接表面(114)，使它基本上與第二轉(zhuǎn)子部分(104)的焊接表面(16)齊平。該方法還包括放置第二個轉(zhuǎn)子部分，使它基本上與第一轉(zhuǎn)子部分外接的法蘭齊平，以便在其間形成一個槽口連接(125)。
文檔編號B23K15/06GK101021164SQ20071000515
公開日2007年8月22日 申請日期2007年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月15日
發(fā)明者S·V·坦布, L·B·斯皮格爾, G·E·耶爾, M·E·伯尼特 申請人:通用電氣公司