專利名稱：用于焊接工序及其方法的加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接裝置及其方法。具體講，本發(fā)明旨在提出一種裝置，它既能進(jìn)行超級(jí)合金零件的焊接工序和焊前及焊后的熱處理，又能避免零件氧化。
高溫鈷基和鎳基超級(jí)合金廣泛地用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的某些零件，其中包括燃燒室、渦輪導(dǎo)向葉片和葉片。雖然高溫超級(jí)合金零件常用鑄造方法成形，但也存在最好或要求用焊接方法制造超級(jí)合金零件的情況。例如渦輪機(jī)中框架和渦輪殼支撐環(huán)這些形狀復(fù)雜的零件更宜將公開的鑄件焊接到一起。由于用高溫鈷基和鎳基超級(jí)合金制造的零件價(jià)格昂貴，故當(dāng)其磨損或損壞時(shí)，通常更愿將其修復(fù)和修理，而不是將其更換。因此，焊接也廣泛用于修復(fù)葉尖和修理裂紋以及其他超級(jí)合金零件內(nèi)由于熱循環(huán)或異物沖擊造成的表面不連續(xù)性缺陷。為了提高屈服點(diǎn)，超級(jí)合金零件通常在高溫狀態(tài)，即超過1500°F(約815℃)的情況下進(jìn)行焊接。
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的超級(jí)合金零件一般在焊接前必須消除高溫應(yīng)力，以便松馳在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)的殘余應(yīng)力，并且在焊接后還要消除從焊接工序冷卻下來時(shí)引起的殘余應(yīng)力。在r’強(qiáng)化鎳基超級(jí)合金中，使一部分硬化r’相溶解的熱處理也能消除應(yīng)力。一般講，熱處理的參數(shù)根據(jù)針對(duì)的合金、需要消除的殘余應(yīng)力大小和溶解的數(shù)量、爐子的設(shè)計(jì)以及零件的幾何形狀和其他許多因素而變化。為了達(dá)到要求的應(yīng)力消除，而又不對(duì)超級(jí)合金及其性能產(chǎn)生負(fù)面影響，消除應(yīng)力和溶解熱處理時(shí)的升溫速率、均熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速率都是極為重要的。
過去，焊前和焊后熱處理一起在大的分批室式熱處理爐中將一組零件在合適的熱處理溫度下進(jìn)行升溫和保溫。采用分批室式熱處理方法的缺點(diǎn)是熱處理的時(shí)間長，其部分原因是大型分批室式爐的重量和由于進(jìn)行熱處理的零件數(shù)量一般較大而構(gòu)成的質(zhì)量。此外，當(dāng)修理單件的零件時(shí)，因?yàn)橐M織批量，還會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)時(shí)間長的問題。因此，使用分批室式爐進(jìn)行焊前和焊后消除應(yīng)力熱處理延長了零件通過焊接生產(chǎn)線的時(shí)間，因而為了改善焊接零件的冶金質(zhì)量，這也是個(gè)效率不高的方法。
作為上述問題的解決方案，授與Grossklaus等人的美國專利申請(qǐng)系列號(hào)(代理人文件號(hào)13DV-12891)提出一種熱處理和焊接超級(jí)合金零件的裝置和方法。具體講，該裝置能使焊前和焊后熱處理在和進(jìn)行焊接工序同一個(gè)盒套內(nèi)進(jìn)行。該盒套有一個(gè)記憶存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器儲(chǔ)存了該零件適用的焊前和焊后熱處理的溫度規(guī)范和焊接溫度規(guī)范。該裝置還包含一個(gè)控制器，通過它可以根據(jù)零件的溫度和按照預(yù)定的焊前、焊后熱處理溫度及焊接溫度規(guī)范調(diào)節(jié)用于加熱零件的器具。
使用Grossklaus等人提出的裝置雖然克服了先有技術(shù)關(guān)于分批熱處理的缺點(diǎn)，但又碰到焊接零件氧化的困難。雖然Grossklaus等人提出的盒套要求沿4個(gè)側(cè)壁和底部進(jìn)行密封，但頂部應(yīng)敞開，以便接近和焊接位于其內(nèi)的零件。雖然Grossklaus等人使惰性氣體流過盒套，并且用一個(gè)頂置排氣罩抽走惰性氣體和進(jìn)行焊接工序時(shí)產(chǎn)生的煙塵，但超級(jí)合金零件仍不免會(huì)產(chǎn)生氧化。因此除了提高用焊接方法制造、修復(fù)和修理超級(jí)合金零件的加工效率以外，還有必要進(jìn)一步改善Grossklaus等人提出的裝置，從而提高焊接質(zhì)量和屈服點(diǎn)。
本發(fā)明總的提出一種在一個(gè)單獨(dú)的盒套內(nèi)對(duì)超級(jí)合金零件進(jìn)行焊前熱處理、焊接和焊后熱處理的同時(shí)，避免零件氧化的加熱裝置和方法。和Grossklaus等人不同，本發(fā)明使用的盒套能在焊接和熱處理時(shí)阻止空氣侵入盒套。
按照本發(fā)明，如果使用Grossklaus等人提出的頂部敞開的盒套，超級(jí)合金零件就會(huì)產(chǎn)生氧化。該盒套頂部之所以需要敞開，據(jù)信是為了讓操作者能夠?qū)ξ挥诤刑變?nèi)的零件進(jìn)行焊接工序。可是，用感應(yīng)法對(duì)超級(jí)合金進(jìn)行劇烈加熱相信亦將在零件加熱部分的周圍立刻形成足夠大的溫度梯度和造成渦流，從而將空氣通過盒套的敞開孔向下吸入盒套內(nèi)，即使有惰性氣體連續(xù)地向上通過盒套的頂部流出到頂置排氣罩中，亦無濟(jì)于事。本發(fā)明的盒套配備了一個(gè)閥，該閥能讓盒套內(nèi)的氣體逸出，但又能密封住不讓空氣吸入盒套內(nèi)。為了能接近零件和用于焊接零件的器具，本發(fā)明在盒套上裝有手套。在不起作用環(huán)境完全保持在盒套內(nèi)部且零件被感應(yīng)加熱的同時(shí)，通過該手套可以操縱焊接器具和零件。結(jié)果，本發(fā)明除了消除用焊接方法制造、修復(fù)及修理超級(jí)合金零件時(shí)進(jìn)行分批式焊前和焊后熱處理的已知加工缺點(diǎn)外，還能防止這種零件在焊接和熱處理所需要的高溫下產(chǎn)生氧化。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)可以從以下詳細(xì)說明中更好地了解。


圖1用簡圖表示本發(fā)明將熱處理和焊接裝置結(jié)合在一起的情況。
本發(fā)明總的針對(duì)制造、修復(fù)或修理時(shí)進(jìn)行焊接的超級(jí)合金零件。雖然本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)系就燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的元件加以說明，但是本發(fā)明亦能在其他各種零件要求在不損及其性能的條件下進(jìn)行焊前和焊后熱處理的情況下使用。
圖1中用簡圖表示本發(fā)明用于進(jìn)行熱處理和焊接工序的裝置10。裝置10包含一個(gè)盒套12，該盒套12專門用于在可控環(huán)境中進(jìn)行例如惰性氣體保護(hù)鎢極電弧焊(TIG)或等離子轉(zhuǎn)移電弧焊(PTA)的焊接工序。圖示裝置10還包含一個(gè)本行業(yè)人員熟知型式的感應(yīng)加熱線圈14。線圈14的尺寸和形狀最好設(shè)計(jì)成緊緊圍住焊接零件局部區(qū)域本身，從而使該局部區(qū)域獲得均勻而快速的加熱。盒套12還包含一個(gè)入口18，惰性氣體(例如氬)能從下面進(jìn)入盒套12內(nèi)部，得以在本發(fā)明的高加工溫度下包圍住零件。圖示一個(gè)單向流動(dòng)控制閥32裝在盒套12的一個(gè)壁上，惰性氣體和煙塵能夠通過它排出盒套12，同時(shí)防止空氣吸入盒套12。最后圖示裝置10包含一個(gè)焊接器具20。該焊接器具20最好為TIG或PRA的，雖然預(yù)期亦能應(yīng)用其他的焊接系統(tǒng)。焊條可為超級(jí)合金絲，其冶金成分應(yīng)和零件相一致，而且適合零件的工作環(huán)境。值得注意的是，裝置10上沒有進(jìn)入盒套12內(nèi)部的敞開孔，也沒有用于排走焊接工序進(jìn)行時(shí)形成的煙塵的排氣罩。
根據(jù)本發(fā)明，裝置10還包含一付固定在盒套12側(cè)壁之一上的手套30，從而可以操縱盒套12內(nèi)的焊接零件和/或焊接器具20。手套30消除了先有技術(shù)在盒套12上開一個(gè)孔從而可以接近焊接器具20和焊接零件的需要。結(jié)果除了單向閥32以外，盒套12在零件處于高溫情況下是密封的，從而阻止盒套12周圍的空氣在嚴(yán)重溫度梯度或其他潛在因素作用下被吸入盒套12內(nèi)。
本發(fā)明的裝置10最好用來對(duì)在盒套12內(nèi)焊接的超級(jí)合金零件進(jìn)行焊前和焊后熱處理。焊接前，零件先在盒套12內(nèi)進(jìn)行熱處理，以便消除零件在嚴(yán)酷工作條件下形成的殘余應(yīng)力，如果零件用r強(qiáng)化鎳基超級(jí)合金制成，則通過部分溶解硬化r’相使合金軟化。焊接后，零件在盒套12內(nèi)進(jìn)行第2次熱處理，以便消除在焊接工序中引起的任何殘余應(yīng)力。按照Grossklaus等人，本發(fā)明的焊接裝置10最好能夠使用一個(gè)單獨(dú)的溫度可變熱暴露器控制盒套12內(nèi)的溫度和時(shí)間規(guī)范，以便易于在盒套12內(nèi)進(jìn)行焊前和焊后熱處理以及焊接，而不是像過去那樣，需要分開的分批室式和焊接爐。在焊接裝置10內(nèi)優(yōu)先實(shí)施的過程最好不包含零件在溫度循環(huán)之間的冷卻，而是讓零件從焊前溫度規(guī)范直接冷卻到較低溫度的焊接規(guī)范，然后將零件直接從焊接規(guī)范再加熱到焊后溫度規(guī)范，就像已經(jīng)包括在本發(fā)明內(nèi)作為參考的Grossklaus等人所介紹的那樣。焊前和焊后的規(guī)范最好不包括恒溫均熱。結(jié)果不僅由于無需冷卻到室溫而減少了循環(huán)的時(shí)間，而且也縮短了焊接前和焊接后的熱處理周期。但是，可以預(yù)期，用本發(fā)明的裝置10進(jìn)行焊前和焊后處理可以包含均熱。
上述的工作性能要求用合適的溫度傳感器24檢測零件在盒套12內(nèi)的溫度。最好采用多路光學(xué)高溫計(jì)，雖然預(yù)期也能使用一個(gè)或一個(gè)以上的標(biāo)準(zhǔn)形式的K熱電偶。從傳感器24來的溫度信號(hào)用作程序溫度控制器26的輸入，控制器26將從傳感器24來的信號(hào)和儲(chǔ)存在記憶裝置28內(nèi)的該零件要求的焊前、焊接、焊后規(guī)范進(jìn)行比較。根據(jù)要求的溫度規(guī)范和零件溫度之間的差值調(diào)節(jié)通往感應(yīng)線圈14的控制信號(hào)。在這種情況下，原則上給定的超級(jí)合金零件的任何溫度規(guī)范均能編成程序和得到精確控制，以便達(dá)到本發(fā)明的目的。本發(fā)明希望最好使用2個(gè)或2個(gè)以上的高溫計(jì)，以便監(jiān)控零件溫度的均勻性，從而當(dāng)其中一個(gè)高溫計(jì)由于焊弧跨越其光程而檢測到一個(gè)錯(cuò)誤的零件溫度情況下，防止感應(yīng)線圈14的交替變化。因此之故，為控制器10編的程序最好略去由高溫計(jì)得到的溫度峰值。
如上所述，可知本發(fā)明能使超級(jí)合金零件在一個(gè)單獨(dú)的密封盒套12內(nèi)進(jìn)行熱處理和焊接，從而防止零件在熱處理和焊接的高溫下產(chǎn)生氧化。因此，本發(fā)明提供了一個(gè)更可靠的方法使3種截然不同的高溫工序在一個(gè)單獨(dú)的熱循環(huán)內(nèi)完成。雖然是就超級(jí)合金零件的加工進(jìn)行討論的，但本發(fā)明的裝置10也能用來處理和焊接其他在高溫下加工時(shí)要求精確控制以免惡化零件性能的材料和零件。因此，雖然本發(fā)明一直就優(yōu)先實(shí)施例進(jìn)行說明，但很明顯，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也能采用別的形式。所以本發(fā)明的范圍僅受下述權(quán)利要求書的限制。
權(quán)利要求
1．一種超級(jí)合金零件的焊接方法，其包含的步驟有將超級(jí)合金零件置于一個(gè)盒套(12)內(nèi)，由所有各側(cè)的壁將零件包圍??；在盒套(12)內(nèi)建立起不起作用的環(huán)境后，將零件進(jìn)行感應(yīng)加熱；然后用焊接器具(20)焊接零件，焊接器具(20)通過固定在盒套(12)至少一個(gè)側(cè)壁上的手套(30)進(jìn)行操縱，盒套(12)防止空氣由于零件感應(yīng)加熱時(shí)產(chǎn)生的溫度梯度而被吸入盒套(12)內(nèi)。
2．按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于阻止空氣被吸入盒套(12)內(nèi)，其原因是除了一個(gè)使氣體從盒套(12)中通至大氣的單向流通閥(32)，盒套(12)完全密封。
3．按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于零件由圍繞零件的感應(yīng)線圈(14)進(jìn)行感應(yīng)加熱。
4．按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該焊接步驟用一臺(tái)焊接器具(20)完成，該焊接器具(20)從包括TIG和PTA在內(nèi)的焊接器材組中選取。
5．按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該零件是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)元件。
6．一種超級(jí)合金零件的焊接方法，其特征在于包含如下步驟建立一個(gè)超級(jí)合金零件的焊接前熱處理的溫度規(guī)范、焊接溫度規(guī)范和焊接后熱處理的溫度規(guī)范；將超級(jí)合金零件置于一個(gè)帶壁的盒套(12)內(nèi)，由所有各側(cè)的壁將零件包圍住，該盒套(12)上有一與其單向聯(lián)的流通裝置(32)，用于使氣體從盒套(12)內(nèi)通至大氣，件(14)用于將零件感應(yīng)加熱，件(24)用于檢測零件的溫度，件(26)用于根據(jù)零件溫度和按照焊前熱處理溫度規(guī)范、焊接溫度規(guī)范和焊后熱處理溫度規(guī)范控制感應(yīng)加熱器(14)；在盒套(12)內(nèi)建立起不起作用的環(huán)境后，操作感應(yīng)加熱器(14)、傳感器(24)和控制器(26)，按照焊接前熱處理規(guī)范加熱零件；在無需從盒套(12)中取出零件的情況下，操作感應(yīng)加熱器(14)、傳感器(24)和控制器(26)直接將零件從焊接前熱處理溫度規(guī)范加熱到焊接溫度規(guī)范；在按照焊接溫度規(guī)范將零件保溫的同時(shí)進(jìn)行焊接，該焊接步驟用固定在盒套(12)的一個(gè)壁上的手套(30)操縱的焊接器具(20)完成，盒套(12)和單向流通裝置(32)阻止空氣由于零件感應(yīng)加熱時(shí)形成的溫度梯度而被吸入盒套(12)內(nèi)；然后在無需從盒套(12)中取出零件的情況下，操作感應(yīng)加熱器(14)、傳感器(24)和控制器(26)直接將零件從焊接溫度規(guī)范加熱到焊接后熱處理溫度規(guī)范。
7．按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于該焊接溫度規(guī)范包括低于焊接前熱處理溫度規(guī)范的一些溫度。
8．按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于該焊接溫度規(guī)范包括低于焊接后熱處理溫度規(guī)范的一些溫度。
9．按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于該焊接溫度規(guī)范包括低于焊接前和焊接后熱處理溫度規(guī)范的一些溫度。
10．按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于焊接前和焊接后熱處理溫度規(guī)范的特征是沒有恒溫保溫時(shí)間。
11．按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于該零件溫度由多路光學(xué)高溫計(jì)(24)檢測。
12．按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于該感應(yīng)加熱器(14)包括圍繞該零件的感應(yīng)線圈。
13．按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于該焊接器具(20)選自包括TIG和PTA在內(nèi)的器材組。
14．按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于該零件為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)元件。
15．一種焊接裝置，其包含一個(gè)適于裝入超級(jí)合金零件的盒套(12)，該盒套(12)的壁從所有各側(cè)將零件包圍，從而防止空氣由于零件感應(yīng)加熱時(shí)形成的溫度梯度而被吸入盒套(12)內(nèi)；盒套(12)內(nèi)用于加熱零件的感應(yīng)加熱器(14)；用于檢測位于盒套(12)內(nèi)的零件溫度的裝置(24)；用于儲(chǔ)存焊接前熱處理溫度規(guī)范、焊接溫度規(guī)范和焊接后熱處理溫度規(guī)范的記憶裝置(28)；用于按照焊前熱處理溫度規(guī)范、焊接溫度規(guī)范和焊后熱處理溫度規(guī)范根據(jù)零件溫度控制感應(yīng)加熱裝置(14)的裝置(26)；在該零件位于盒套(12)內(nèi)且處于焊接溫度規(guī)范溫度下的同時(shí)用于焊接該零件的裝置(20)；和固定在盒套(12)上用于操縱焊接器具(20)和盒套(12)內(nèi)零件的手套(30)。
16．按照權(quán)利要求15所述的焊接裝置，其特征在于由于盒套(12)除了使氣體從盒套(12)內(nèi)通向大氣的單向流通裝置(32)外被完全密封，阻止了空氣被吸入盒套(12)內(nèi)。
17．按照權(quán)利要求15所述的焊接裝置，其特征在于該焊接溫度規(guī)范包括低于焊接前熱處理溫度規(guī)范的一些溫度。
18．按照權(quán)利要求15所述的焊接裝置，其特征在于該焊接溫度規(guī)范包括低于焊接后熱處理溫度規(guī)范的溫度。
19．按照權(quán)利要求15所述的焊接裝置，其特征在于該感應(yīng)加熱器(14)包括圍繞零件的感應(yīng)線圈。
20．按照權(quán)利要求15所述的焊接裝置，其特征在于該焊接器具(20)選自包括TIG和PTA在內(nèi)的焊接器材組。
全文摘要
一種在一個(gè)單獨(dú)的盒套(12)內(nèi)對(duì)超級(jí)合金零件進(jìn)行焊接前熱處理、焊接和焊接后熱處理的同時(shí),避免零件氧化的加熱裝置(10)和方法。盒套(12)最好配備一個(gè)單向裝置(32),它一方面讓氣體逸出,另一方面將盒套(12)密封,防止在焊接和熱處理時(shí)空氣由于零件感應(yīng)加熱時(shí)形成的溫度梯度而侵入。為了能接近零件和焊接零件器具(20),盒套(12)上備有手套(30),通過它既能操縱焊接器具(20)和零件,又能使不起作用的環(huán)境完全保留在盒套(12)內(nèi)和將零件進(jìn)行感應(yīng)加熱。
文檔編號(hào)H05B6/02GK1300655SQ0013645
公開日2001年6月27日 申請(qǐng)日期2000年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月23日
發(fā)明者T·J·凱利, K·B·亞歷山大, R·亨斯利, R·D·勞倫斯, J·H·斯尼德爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司