專(zhuān)利名稱(chēng)：具有受調(diào)節(jié)的溫度分布的焊接方法以及用于此的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種部件的焊接方法以及一種用于此的裝置。
背景技術(shù)：
經(jīng)常使用焊接方法將部件相互連接或者再熔化裂紋或者說(shuō)施加材料。如此，也借助于焊接方法、尤其激光方法修復(fù)燃?xì)鉁u輪機(jī)的部件、例如渦輪機(jī)葉 片，其中所述部件甚至可以具有定向凝固的結(jié)構(gòu)(DS，SX)。在此，熔化基底的材料或者基底 和接合的焊接物的材料。然而這總會(huì)導(dǎo)致焊縫中的裂紋。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)是克服上面所述的問(wèn)題。該任務(wù)通過(guò)按權(quán)利要求1所述的方法以及按權(quán)利要求12所述的裝置得到解決，在 所述方法中根據(jù)溫度調(diào)節(jié)功率。在從屬權(quán)利要求中列出了其它有利的措施，所述措施能夠任意地相互組合，從而 實(shí)現(xiàn)其它優(yōu)點(diǎn)。


附圖示出圖1是按本發(fā)明的裝置，圖2是溫度和功率的分布，圖3是燃?xì)鉁u輪機(jī)，圖4是渦輪機(jī)葉片的透視圖，圖5是燃燒室的透視圖，以及圖6是超合金的列表。附圖以及描述僅僅示出了本發(fā)明的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式圖1示出了部件4，該部件尤其是燃?xì)鉁u輪機(jī)100 (圖3)的部件120、130、155 (圖 4、5)。優(yōu)選所述部件4、120、130、155具有按圖6的超合金。所述部件4、120、130、155布置在裝置30的容納部31中，其中該裝置30具有焊接 儀器33以及溫度測(cè)量?jī)x器35。該裝置30優(yōu)選具有激光器33或者電子束槍?zhuān)柚谠撾娮?束槍局部地在區(qū)域41中照射所述部件4、120、130、155，從而焊接該部件。所述部件4和/或所述焊接儀器33彼此相對(duì)移動(dòng)，從而產(chǎn)生焊縫43。焊接儀器 33照射部件4、120、130、155的區(qū)域41并且在那里產(chǎn)生熔斑。被照射的區(qū)域41在部件4、 120、130、155上移動(dòng)，從而沿著移動(dòng)方向一再產(chǎn)生或者說(shuō)移動(dòng)熔斑，該熔斑在移動(dòng)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生焊縫43 (虛線示出)。有待焊接也就是被照射的區(qū)域41的溫度T由溫度測(cè)量?jī)x器35進(jìn)行測(cè)量并且通過(guò)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)38例如電子連接、計(jì)算機(jī)、控制裝置傳輸給焊接儀器33。圖2示出了焊接過(guò)程中的溫度分布。描繪了被照射的區(qū)域41的溫度T[K]以及焊接儀器33的功率P[W]。有待焊接的區(qū)域41的溫度T 一開(kāi)始從零開(kāi)始升高，其中焊接儀器33的功率P提 高了。在此，所述部件或者所述焊接儀器優(yōu)選已經(jīng)直接在功率P提高時(shí)彼此相對(duì)移動(dòng)。優(yōu) 選在移動(dòng)一開(kāi)始調(diào)節(jié)所述溫度T，尤其恒定地提高該溫度。優(yōu)選在達(dá)到恒定的溫度尤其最大溫度Tmax之后，優(yōu)選還如此調(diào)節(jié)焊接儀器33的功 率P，從而在移動(dòng)時(shí)間At期間優(yōu)選出現(xiàn)恒定的溫度。在移動(dòng)時(shí)間At期間形成了焊縫43。在移動(dòng)結(jié)束時(shí)，當(dāng)施加焊縫43或者再熔化所述部件4的材料時(shí)，尤其通過(guò)下調(diào)功 率P使溫度T下降。尤其調(diào)節(jié)溫度T使其變低，尤其恒定地變低，從而避免裂紋。在此，優(yōu)選將激光器功率P降低到0瓦。在降低功率P期間優(yōu)選使部件和激光器 繼續(xù)相對(duì)移動(dòng)，優(yōu)選直到P = Off0在圖2中用實(shí)線示出了部件4的被照射的斑41的溫度T并且用虛線示出了為此 調(diào)節(jié)的激光器功率P。將溫度T恒定地保持在確定的溫度、尤其提高到Tmax，并且在特定的時(shí)間Δ t之后 再降低溫度。保持溫度Tmax特定的持續(xù)時(shí)間At，而部件4和/或焊接儀器33進(jìn)行移動(dòng)。如 此調(diào)節(jié)所述激光器功率P，從而在持續(xù)時(shí)間Δ t期間達(dá)到恒定的溫度T，使得激光器33的功 率P—開(kāi)始劇烈提高、然后再下降，然而在時(shí)間At期間也優(yōu)選再下降。溫度T是恒定的， 然而功率P是改變的，優(yōu)選功率略微下降，尤其至少直至移動(dòng)時(shí)間At的一半。在移動(dòng)一開(kāi)始，焊接儀器33的功率P優(yōu)選是在受調(diào)節(jié)的溫度分布T (t)期間最高 的，從而降低焊縫43內(nèi)部或者說(shuō)凝固的焊接物內(nèi)部以及部件4的冷的以及固體的基底內(nèi)部 的熱應(yīng)力，使得部件4、120、130、155和焊縫43在焊接之后不再具有裂紋。借助于溫度測(cè)量?jī)x器35、尤其高溫計(jì)來(lái)控制激光器33的功率。尤其涉及沒(méi)有焊接填料的焊接方法，然而也可以用焊接填料進(jìn)行工作。所述裝置30可以具有工藝室(沒(méi)有示出)，從而可以在工藝室中調(diào)節(jié)真空或者惰 性氣體氣氛。圖3示例性地示出了燃?xì)鉁u輪機(jī)100的部分縱剖圖。燃?xì)鉁u輪機(jī)100在內(nèi)部具有圍繞旋轉(zhuǎn)軸線102得到旋轉(zhuǎn)支承的具有軸的轉(zhuǎn)子103， 該轉(zhuǎn)子也稱(chēng)為渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。沿著轉(zhuǎn)子103先后跟隨著進(jìn)氣殼體104、壓縮機(jī)105、例如環(huán)面狀的燃燒室110尤 其環(huán)形燃燒室連同多個(gè)同軸布置的燃燒器107、渦輪機(jī)108以及排氣殼體109。所述環(huán)形燃燒室110與例如環(huán)形的熱氣通道111相通。在那里，例如四個(gè)前后連 接的渦輪機(jī)級(jí)112形成了渦輪機(jī)108。每個(gè)渦輪機(jī)級(jí)112例如由兩個(gè)葉片環(huán)形成。沿著工作介質(zhì)113的流動(dòng)方向看，在 熱氣通道111中，由轉(zhuǎn)子葉片120形成的組125跟隨著導(dǎo)向葉片組115。在此，導(dǎo)向葉片130固定在定子143的內(nèi)部殼體138上，相反，組125的轉(zhuǎn)子葉片 120例如借助于渦輪葉輪盤(pán)133安置在轉(zhuǎn)子103上。
發(fā)電機(jī)或者工作機(jī)器(沒(méi)有示出)聯(lián)結(jié)在轉(zhuǎn)子103上。在燃?xì)鉁u輪機(jī)100運(yùn)行期間，由壓縮機(jī)105通過(guò)進(jìn)氣殼體104吸入并且壓縮空氣 135。在壓縮機(jī)105的渦輪機(jī)側(cè)的端部提供的壓縮的空氣通向燃燒器107并且在那里與燃 燒劑混合。然后，該混合物在形成工作介質(zhì)113的情況下在燃燒室110中燃燒。從那里出 發(fā)，工作介質(zhì)113沿著熱氣通道111流過(guò)導(dǎo)向葉片130以及轉(zhuǎn)子葉片120。工作介質(zhì)113在 轉(zhuǎn)子葉片120上傳遞脈沖地膨脹，使得轉(zhuǎn)子葉片120驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子103并且該轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)聯(lián)結(jié)在 其上的工作機(jī)器。暴露在熱的工作介質(zhì)113下的部件在燃?xì)鉁u輪機(jī)100運(yùn)行期間處于熱載荷下。除 了給環(huán)形燃燒室110加襯的隔熱元件之外，沿著工作介質(zhì)113的流動(dòng)方向看的第一渦輪機(jī) 級(jí)112的導(dǎo)向葉片130和轉(zhuǎn)子葉片120經(jīng)受最多的熱載荷。 為了經(jīng)受住那里存在的溫度，可以借助于冷卻劑將其冷卻。所述部件的基底同樣可以具有定向結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)所述基底是單晶結(jié)構(gòu)(SX結(jié) 構(gòu))，或者僅僅具有縱向定向的晶粒(DS結(jié)構(gòu))。作為用于所述部件的材料、尤其用于渦輪機(jī)葉片120、130和燃燒室110的部件的
材料，例如使用鐵基、鎳基或者鈷基的超合金。這種超合金例如由EP 1204776BUEP 1306454,EP 1319729AUW0 99/67435 或者 WO 00/44949公開(kāi)；這些文件在合金的化學(xué)成分方面是本公開(kāi)文件的一部分。所述導(dǎo)向葉片130具有面對(duì)渦輪機(jī)108的內(nèi)部殼體138的導(dǎo)向葉根(這里沒(méi)有示 出)以及與導(dǎo)向葉根對(duì)置的導(dǎo)向葉片頂部。該導(dǎo)向葉片頂部面對(duì)轉(zhuǎn)子103并且固定在定子 143的固定環(huán)140上。圖4以透視圖示出了流體機(jī)械的轉(zhuǎn)子葉片120或?qū)蛉~片130，該轉(zhuǎn)子葉片或者導(dǎo) 向葉片沿著縱軸線121延伸。該流體機(jī)械可以是飛機(jī)的或者用于發(fā)電的發(fā)電廠的燃?xì)鉁u輪機(jī)、蒸汽渦輪機(jī)或者 壓縮機(jī)。所述葉片120、130沿著縱軸線121先后跟隨著固定區(qū)域400、鄰接的葉片平臺(tái)403 以及葉身406和葉尖415。作為導(dǎo)向葉片130，該葉片130在其葉尖415上可以具有另一平臺(tái)(沒(méi)有示出)。在固定區(qū)域400中形成了葉根183，該葉根用于將轉(zhuǎn)子葉片120、130固定在軸上或 者盤(pán)上(沒(méi)有示出)。例如將葉根183設(shè)計(jì)成錘頭。其它作為揪樹(shù)葉根或者燕尾葉根的設(shè)計(jì)方案也是可 以的。所述葉片120、130對(duì)于流過(guò)葉身406的介質(zhì)具有流入邊緣409和流出邊緣412。在常規(guī)的葉片120、130中，在葉片120、130的所有區(qū)域400、403、406中例如使用
實(shí)心的金屬材料、尤其超合金。這種超合金例如由EP 1204776BUEP 1306454,EP 1319729AUW0 99/67435 或者 WO 00/44949公開(kāi)；這些文件在合金的化學(xué)成分方面是本公開(kāi)文件的一部分。在此，所述葉片120、130可以通過(guò)鑄造方法、也借助于定向凝固、通過(guò)鍛造方法、 通過(guò)銑削方法或者這些方法的組合制成。具有單晶結(jié)構(gòu)的工件用作機(jī)器的部件，所述部件在運(yùn)行中暴露在高的機(jī)械、熱和/或化學(xué)載荷之下。例如通過(guò)由熔液的定向凝固來(lái)制造這種單晶的工件。在此涉及鑄造方法，其中將 液態(tài)的金屬合金定向凝固成單晶結(jié)構(gòu)，也就是定向凝固成單晶的工件。在此，枝狀的晶體沿著熱流定向，并且要么形成桿狀晶的晶粒結(jié)構(gòu)(柱狀晶，也就 是在工件的整個(gè)長(zhǎng)度上延伸的并且在這里根據(jù)普通的語(yǔ)言慣用語(yǔ)稱(chēng)為定向凝固的晶粒) 要么形成單晶的結(jié)構(gòu)，也就是整個(gè)工件由一個(gè)唯一的晶體構(gòu)成。在這種方法中必須避免過(guò) 渡到球狀晶的(多晶的)凝固，因?yàn)橥ㄟ^(guò)非定向的生長(zhǎng)必然形成橫向和縱向的晶界，這些晶 界使得定向凝固的或者單晶的部件的良好特性遺失殆盡。如果通常談及定向凝固的組織，那么以此不僅是指沒(méi)有晶界或者最多具有小角 度晶界的單晶體，而且是指具有可能沿縱向延伸的晶界、但是沒(méi)有橫向晶界的桿狀晶結(jié) 構(gòu)。這兩種提到的晶體結(jié)構(gòu)人們也稱(chēng)為定向凝固的組織(directionally solidified structured)。這種方法由US-PS 6，024, 792以及EP 0892090A1公開(kāi)；這些文件在凝固方法方面 是本公開(kāi)文件的一部分。所述葉片120、130同樣可以具有抗腐蝕或抗氧化的涂層，例如(MCrAlX ;M是 鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)組中的至少一種元素，X是活性元素并且表示釔(Y)和/或硅 和/或至少一種稀土元素或者說(shuō)鉿(Hf))。這種合金由EP 0486489BU EP 0786017B1、 EP0412397B1或者EP 1306454A1公開(kāi)，這些文件在合金的化學(xué)成分方面應(yīng)該是本公開(kāi)文件 的一部分。密度優(yōu)選是理論密度的95%。在MCrAlX層(作為中間層或者最外面的層)上形成了保護(hù)性的氧化鋁層(TGO = 熱生長(zhǎng)氧化層)。優(yōu)選所述層成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y_0.7Si或者 Co-28Ni-24Cr-10Al-0. 6Y。除了所述鈷基的保護(hù)涂層之外，也優(yōu)選使用鎳基的 保護(hù)層，例如 Ni-10Cr-12Al-0. 6Y-3Re 或者 Ni-12Co-21Cr-llAl_0. 4Y_2Re 或者 Ni-25Co-17Cr-10Al-0. 4Y-1. 5Re。在MCrAlX上還可以存在隔熱層，該隔熱層優(yōu)選是最外面的層并且例如由&02、 Y2O3-ZrO2制成，也就是說(shuō)該隔熱層不是部分或者完全地通過(guò)氧化釔和/或氧化鈣和/或氧 化鎂來(lái)穩(wěn)定。所述隔熱層覆蓋整個(gè)MCrAlX層。通過(guò)合適的涂層方法例如電子束氣相沉積 (EB-PVD)在隔熱層中產(chǎn)生桿狀晶粒?？梢钥紤]其它涂層方法，例如大氣等離子噴涂(APS)、LPPS、VPS或者CVD。所述隔 熱層可以具有多孔的、帶有微觀裂紋或者宏觀裂紋的晶粒用于更好地抵抗熱沖擊。因此，該 隔熱層優(yōu)選比MCrAlX層更多孔。所述葉片120、130可以構(gòu)造成空心的或者實(shí)心的。如果要冷卻所述葉片120、130， 那么該葉片是空心的并且必要時(shí)還具有薄膜冷卻孔418 (虛線示出)。圖5示出了燃?xì)鉁u輪機(jī)100的燃燒室110。該燃燒室110例如構(gòu)造成所謂的環(huán)形 燃燒室，在該燃燒室中大量沿周向圍繞旋轉(zhuǎn)軸線102布置的燃燒器107通入共同的燃燒室 空間154中，產(chǎn)生火焰156。為此，燃燒室110整體構(gòu)造成環(huán)形的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線 102進(jìn)行定位。
為了獲得比較高的效率，所述燃燒室110設(shè)計(jì)用于工作介質(zhì)M的較高的從大約 1000°C到1600°C的溫度。為了在這種對(duì)于材料來(lái)說(shuō)不利的工作參數(shù)下也能實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的使用 壽命，燃燒室壁153在其面對(duì)工作介質(zhì)M的一側(cè)設(shè)有由隔熱元件155形成的內(nèi)襯板。此外，由于燃燒室110內(nèi)部的高的溫度，可以為隔熱元件155或者說(shuō)為其保持元件 設(shè)置冷卻系統(tǒng)。這樣，所述隔熱元件155例如是空心的并且必要時(shí)還具有通入燃燒室空間 154的冷卻孔(沒(méi)有示出)。每個(gè)由合金制成的隔熱元件155在工作介質(zhì)側(cè)設(shè)有特別耐熱的保護(hù)層(MCrAlX層 和/或陶瓷涂層)或者由耐高溫的材料(實(shí)心的陶瓷磚)制成。所述保護(hù)層可以類(lèi)似于渦輪機(jī)葉片，也就是例如意味著MCrAlX =M是鐵(Fe)、鈷 (Co)、鎳(Ni)組中的至少一種元素，X是活性元素并且代表釔(Y)和/或硅和/或至少一 種稀土元素或者說(shuō)鉿(Hf)。這種合金由EP 0486489BUEP 0786017BUEP 0412397B1或者 EP 1306454A1公開(kāi)，這些文件在合金的化學(xué)成分方面應(yīng)該是本公開(kāi)文件的一部分。在MCrAlX上還可以存在例如陶瓷的隔熱層，并且該隔熱層例如由&02、Y2O3-ZrO2 制成，也就是說(shuō)該隔熱層不是部分或者完全地通過(guò)氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂來(lái)穩(wěn) 定。通過(guò)合適的涂層方法例如電子束氣相沉積(EB-PVD)在隔熱層中產(chǎn)生桿狀晶粒?？梢钥紤]其它涂層方法，例如大氣等離子噴涂(APS)、LPPS、VPS或者CVD。所述隔 熱層可以具有多孔的、帶有微觀裂紋或者宏觀裂紋的晶粒用于更好地抵抗熱沖擊。再加工(翻新)是指，所述渦輪機(jī)葉片120、130、隔熱元件155在其使用之后必要時(shí)必須除去保護(hù)層(例如通過(guò)噴砂)。隨后去除腐蝕層和/或氧化層或者說(shuō)腐蝕產(chǎn)物和/ 或氧化產(chǎn)物。必要時(shí)也還要修復(fù)渦輪機(jī)葉片120、130中的或者隔熱元件155中的裂紋。隨 后重新對(duì)渦輪機(jī)葉片120、130、隔熱元件155進(jìn)行涂層并且重新使用渦輪機(jī)葉片120、130或 隔熱元件155。
權(quán)利要求
用于借助于焊接儀器(33)來(lái)焊接部件(4、120、130、155)的方法，該焊接儀器照射所述部件(4、120、130、155)的區(qū)域(41)，其中，根據(jù)所述部件(4、120、130、155)的被照射的區(qū)域(41)的溫度(T)來(lái)調(diào)節(jié)所述焊接儀器(33)的功率(P)。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其中，在焊接一開(kāi)始調(diào)節(jié)被照射的區(qū)域(41)的溫度(T) 使之升高，尤其恒定地升高。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述焊接儀器(33)和所述部件(4、120、130、 155)彼此相對(duì)移動(dòng)，其中，在開(kāi)始階段之后所述焊接儀器(33)的功率(P)在移動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)到 被照射的區(qū)域(41)的恒定的溫度(T)，尤其調(diào)節(jié)到被照射的區(qū)域(41)的最大溫度(Tmax)。
4.按權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述恒定的溫度被保持移動(dòng)時(shí)間(At)。
5.按權(quán)利要求1、2、3或4所述的方法，其中，在用于焊接的移動(dòng)結(jié)束時(shí)調(diào)節(jié)被照射的區(qū) 域(41)的溫度⑴使之降低，尤其恒定地降低。
6.按權(quán)利要求1或5所述的方法，其中，在用于焊接的移動(dòng)結(jié)束時(shí)將所述焊接儀器 (33)的功率⑵降低到零。
7.按權(quán)利要求1、3或6所述的方法，其中，使用激光焊接儀器(33)。
8.按權(quán)利要求1或7所述的方法，其中，使用溫度測(cè)量?jī)x器(35)，用于測(cè)量所述被照射 的區(qū)域(41)的溫度，由此調(diào)節(jié)所述焊接儀器(33)的功率(P)。
9.按權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述被照射的區(qū)域(41)是熔化的區(qū)域。
10.按權(quán)利要求1或4所述的方法，其中，在所述移動(dòng)一開(kāi)始所述焊接儀器(33)的功率 是最高的。
11.按權(quán)利要求4或10所述的方法，其中，所述焊接儀器(33)的功率(P)至少直至移 動(dòng)時(shí)間(ΔΟ的一半持續(xù)下降。
12.按權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述部件(4)或者所述焊接儀器(33)已經(jīng)直接 在功率(P)提高時(shí)彼此相對(duì)移動(dòng)。
13.按權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述部件(4)或者所述焊接儀器(33)還在功率 (P)下降時(shí)彼此相對(duì)移動(dòng)。
14.裝置(30)，尤其用于實(shí)施按權(quán)利要求1到11中任一項(xiàng)所述的方法，該裝置具有帶 有功率調(diào)節(jié)的焊接儀器(33)、用于有待焊接的部件(4、120、130、155)的容納部、溫度測(cè)量 儀器(35)以及調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器將由所述焊接儀器(33)照射的區(qū)域(41)的溫度⑴用作 用于調(diào)節(jié)所述焊接儀器(33)的功率的影響參數(shù)。
15.按權(quán)利要求14所述的裝置，該裝置具有激光焊接儀器(33)。
16.按權(quán)利要求14或15所述的裝置，其中，設(shè)置了機(jī)構(gòu)(38)，該機(jī)構(gòu)能夠處理所述溫 度測(cè)量?jī)x器(35)的信息或者說(shuō)將信息傳輸給所述焊接儀器(33)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種焊接方法，其中根據(jù)焊接位置的溫度(T)調(diào)節(jié)功率(P)。
文檔編號(hào)B23K26/03GK101990477SQ200980112602
公開(kāi)日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2009年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月10日
發(fā)明者B·布爾鮑姆, N·皮克, S·莫卡德姆 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司;弗勞恩霍弗實(shí)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)