[发明专利]焊接工艺及减少约束的焊接接头

说明书

技术领域

本申请一般涉及材料技术领域，并且更具体地涉及焊接领域，并 且特别应用于超合金组件的焊接修复。

背景技术

人们认识到，由于其对焊接凝固裂纹和应变时效裂纹的敏感性， 超合金材料是最难焊接的材料之一。术语“超合金”在本文中被使用， 因为它是本领域通常使用的；即在高温下表现出优异的机械强度和耐 蠕变性能的高度耐腐蚀和耐氧化的合金。超合金通常包括高的镍或钴 含量。超合金的例子包括以如下商标和品牌出售的合金：哈氏合金， 铬镍铁合金(例如IN738、IN792、IN939)，雷内合金(例如ReneN5、 Rene80、Rene142)，海恩斯合金，MarM，CM247LC，C263，718， X-750，ECY768，282，X45，PWA1483和CMSX(例如CMSX-4) 单晶合金。

一些超合金材料的焊接修复已通过预热材料到非常高的温度(例 如达高于1600°F或870℃)，以在修复过程中显著增加材料的延展性 而成功实现。这种技术被称为热匣焊接或在升高温度(SWET)焊接 修复下的超合金焊接，它通常使用手动GTAW(气体保护钨极电弧焊) 工艺完成。然而，热匣焊接受到保持均匀的部件处理表面温度的困难 和保持完整的惰性气体保护的困难，以及在这种极端的温度下给在部 件附近工作的操作者施加的身体困难的限制。

一些超合金材料的焊接应用可以使用冷却板，以限制基底材料的 加热来进行；从而限制基底热效应的出现和引起裂纹问题的应力。然 而，这种技术对于许多零件的几何形状不便于使用冷却板的修复应用 是不实际的。

本发明人已使用粉末焊剂和金属开发了超合金焊接技术，如在美 国专利申请公开号US2013/0140278A1中所公开的，其通过引用并入 本文。这个工艺促进了甚至最难焊接的超合金的沉积。然而，希望对 超合金材料组件的焊接修复的进一步的改进。

附图说明

本发明在以下描述中结合附图被说明，附图示出了：

图1是现有技术焊接接头的剖面图。

图2是根据本发明的一个实施例的焊接接头的剖面图。

图3示出了根据本发明的一个实施例使用端铣刀工具形成焊接准 备部的过程。

图4是具有根据本发明的实施例形成的焊接准备部的燃气涡轮发 动机叶片的顶视图。

具体实施方式

本发明人已经认识到，在超合金材料的焊接修复中的困难被恶 化，因为已知焊接接头的几何形状倾向于在冷却并凝固凝固时约束焊 件。图1示出了典型的现有技术组件修复焊接接头10，其通常具有带 平底V形截面形状的焊接准备部。图1的焊接接头10通常在组件的 修复过程中，当裂纹或其它不连续性通过从表面14去除材料到去除 不连续性(未示出)所需的深度，从基底12进行挖掘时被使用。然 后附加材料被去除以形成平底V形焊接准备部16，该焊接准备部具 有延伸到大致平坦的底部表面20的相对斜边18、18'。平坦的底部表 面20是代替延伸边18、18'以在一点接合在一起，从而确保在焊接底 部的完全熔化所必需的。焊接金属22然后焊接准备部诸如通过粉末 超合金材料的激光熔融沉积或其它已知方法被添加一道次或多道次 以填充焊接准备部16。

当熔融的焊接金属22被沉积到焊接准备部16中时，其通过沿侧 边18、18'主要到邻接基底材料12的热损失冷却并凝固。受到热传递 发生和热能消散到基底12中的影响，沿侧边18、18'的材料薄层24 可以熔化或变热，导致通过焊接金属22的温度梯度。作为温度梯度 的结果，熔融材料将开始沿侧边18、18'凝固和并且凝固将从两侧边 18、18'向内朝向焊接金属22的中心前进。熔融材料随着金属凝固和 冷却收缩。邻近侧边18、18'的第一凝固材料受到基底12的相对结构 刚性的约束，并且因此收缩必须由剩余凝固焊接金属22本身容纳。 作为从两侧边18、18'朝向焊接接头10的中心前进的向内前进凝固前 沿的结果，开发了焊接金属22的中心区域，该中心区域处于显著张 应力下，有时造成中心线收缩裂纹26。即使不发生凝固裂纹，几何形 状和高所得约束促进升高残留的焊接应力。这种应力可以与来自焊后 时效硬化的应力混合，并导致应变时效裂纹。