專利名稱：用于焊接由耐高溫的超合金制成的工件的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于焊接工件、尤其是燃?xì)鉁u輪機(jī)工件例如燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片的方法和直O(jiān)
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片在運(yùn)行中暴露在高溫和強(qiáng)烈的機(jī)械載荷之下。因此，對于 這種部件來說優(yōu)選使用鎳基超合金，所述鎳基超合金能夠通過析出Y ’相得到加強(qiáng)。然而隨 著時間的推移，會在轉(zhuǎn)子葉片中出現(xiàn)裂紋，所述裂紋隨著時間進(jìn)一步擴(kuò)展。例如由于極端的 機(jī)械載荷會在燃?xì)鉁u輪機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)這種裂紋，然而裂紋也會在制造過程中已經(jīng)出現(xiàn)。因 為由這種超合金制造渦輪機(jī)葉片和其它工件是耗費(fèi)的并且是成本昂貴的，所以人們致力于 在制造中生產(chǎn)盡可能少的次品并且確保所制造的產(chǎn)品的較長的使用壽命。當(dāng)由于運(yùn)行引起的應(yīng)力不能再毫無問題地確保無缺陷的功能時，通常維修并且必 要時更換處于運(yùn)行中的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步使用更換的渦輪機(jī)葉片，盡可能 對所述渦輪機(jī)葉片進(jìn)行再加工。然后所述渦輪機(jī)葉片就能夠重新用在燃?xì)鉁u輪機(jī)中。在這 種再加工的范圍內(nèi)例如會需要在受損區(qū)域中進(jìn)行堆焊，從而再形成原始的壁厚。已經(jīng)在制造過程中出現(xiàn)裂紋的渦輪機(jī)葉片也可以例如用堆焊使其變得適合于使 用，從而能夠減少制造中的次品。然而借助于常規(guī)的用相同種類的填料進(jìn)行的焊接方法目前很難焊接Y ’增強(qiáng)的鎳 基超合金。對此的原因是，必須避免微觀偏析，也就是熔液的微小的偏析。此外，焊接過程 本身會導(dǎo)致在后面的熱處理期間裂紋在焊接區(qū)域中的產(chǎn)生。對此的原因是在焊接時輸入熱 量期間由塑性變形引起的焊接內(nèi)應(yīng)力。為了回避Y ’硬化的鎳基超合金的困難的可焊接性，經(jīng)常用可延展的焊接填料、例 如用沒有Y’硬化的鎳基合金進(jìn)行焊接。這種沒有Y’硬化的鎳基合金的典型代表例如是 IN625。沒有Y’硬化的填料的可延展性允許在焊接之后在第一熱處理期間降低通過塑性 變形引起的焊接應(yīng)力。然而所述未硬化的合金相對于Y’硬化的鎳基超合金具有較小的耐 高溫強(qiáng)度(不僅拉伸強(qiáng)度很小而且持久強(qiáng)度也很小)。因此，優(yōu)選使用沒有可延展的填料的 焊接方法。所述方法可以分成兩類，也就是為了提高可延展性借助于Y’相的粗化進(jìn)行基 材的過時效處理的方法以及在預(yù)熱基底的情況下實(shí)施焊接過程的方法。在預(yù)熱的基底上實(shí) 施焊接過程在焊接過程期間通過恢復(fù)降低了焊接內(nèi)應(yīng)力。例如在US 6，120,6 中描述了具有事先的過時效處理的焊接過程，例如在US 5，319，179中描述了在預(yù)熱的工件上實(shí)施的焊接過程。然而，所述兩種沒有可延展的焊接填料的焊接方法同樣具有缺點(diǎn)。例如在焊接過 程前面實(shí)施的過時效處理中在焊接之間對可Y’硬化的鎳基超合金進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，從 而引起Y’相的過時效處理。在此，顯著提高了基材的可延展性?？裳诱剐缘倪@種提高實(shí) 現(xiàn)了在室溫下焊接材料。此外能夠?qū)λ霾牧线M(jìn)行冷整形。此外，這種熱處理實(shí)現(xiàn)了使用 鎳基超合金例如Rene41或者HayneS282作為焊接填料。這雖然形成了 Y’相組織，但是比目前用于燃?xì)鉁u輪機(jī)熱氣組件例如燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片的典型的含Y’的鎳基超合金(例如 IN738LC、IN939、Rene80、IN6203DS、PWA1483SX、Alloy247 等)具有明顯更少的體積份額。 因此，即使在焊接過程前進(jìn)行過時效處理也不能進(jìn)行全結(jié)構(gòu)的焊接。如果預(yù)熱渦輪機(jī)葉片，那么減少焊接部位與渦輪機(jī)葉片的其余部位之間的溫度差 以及由此形成的應(yīng)力梯度，由此可以避免在由鎳基超合金制成的部件中形成焊接裂紋。然 而，這種借助于感應(yīng)線圈將渦輪機(jī)葉片預(yù)熱到900°C和1000°C之間的溫度的方法必須在有 保護(hù)氣體的情況下實(shí)施，這使得焊接過程復(fù)雜化并且使該焊接過程變得昂貴。此外，由于缺 乏對處于保護(hù)氣體容器中的工件的可接近性，不能在工件的所有區(qū)域上實(shí)施所述方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，需要作為替代方案的用于堆焊的焊接方法，所述焊接方法尤其適合于Y ’硬 化的鎳基超合金并且不具有或者僅僅在很小的程度上具有上述缺點(diǎn)。本發(fā)明的另一任務(wù)是 提供一種適合于實(shí)施按本發(fā)明的方法的焊接裝置。第一個任務(wù)通過按權(quán)利要求1所述的用于堆焊的方法得到解決，第二個任務(wù)通過 按權(quán)利要求12所述的焊接裝置得到解決。從屬權(quán)利要求包含本發(fā)明的有利的設(shè)計方案并且能夠有利地相互任意組合。在按本發(fā)明的用于焊接由耐高溫的超合金制成的工件的方法中，借助于熱輸入?yún)^(qū) 域以及將焊接填料輸入熱輸入?yún)^(qū)域中的輸入?yún)^(qū)域?qū)⒑附犹盍鲜┘拥焦ぜ砻嫔稀Ｋ鰺?輸入?yún)^(qū)域和輸入?yún)^(qū)域在焊接期間在工件表面上運(yùn)動。該運(yùn)動可以沿著焊接方向進(jìn)行，例如 在線性的路徑上或者在圍繞焊接方向振蕩的路徑上。在按本發(fā)明的方法中如此選擇焊接參 數(shù)，使得材料凝固時的冷卻率至少為8000K/S。為了在材料凝固時出現(xiàn)至少8000K/S的冷卻率所提供的主要參數(shù)是在焊接功率 和熱輸入?yún)^(qū)域的直徑方面的方法參數(shù)例如激光器功率和激光束的直徑形式的方法參數(shù)以 及進(jìn)給(處理速度)和必要時輸入的焊接填料流。根據(jù)所使用的激光源的種類，可以通過 合適地調(diào)整所述參數(shù)來調(diào)節(jié)有待焊接的材料的所要求的冷卻率。在此，處理速度可以至少 為250mm/min，尤其大于500mm/min。例如在處理速度大于500mm/min時可以調(diào)節(jié)在焊接功 率和熱輸入?yún)^(qū)域的直徑方面的方法參數(shù)，使得材料凝固時的冷卻率至少為8000K/S。通過高的冷卻率以及高的凝固速度在一定程度上提高了分配系數(shù)，從而在一定程 度上避免了微觀偏析，也就是熔液的微小的偏析。焊接物中的熔液枝狀地凝固，也就是以樹 狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行凝固，其中枝狀晶的生長方向沿著焊接軌跡變化，因為枝狀晶的可能的生長方 向的定向朝凝固前線上的溫度梯度變化。進(jìn)行具有朝溫度梯度最小的傾向的或者說具有最 小的生長速度的生長方向。此外，在凝固前線前面形成晶核，該晶核在凝固時由凝固前線填 補(bǔ)。所述晶核推動按統(tǒng)計學(xué)分布的枝狀晶生長方向。按本發(fā)明的方法例如適合于借助于焊接填料焊接由含Y，的鎳基超合金制成的工 件，該焊接填料是形成Y’的鎳基超合金材料。這樣就可以在焊接物中由于使用同類的填 料而獲得較高的強(qiáng)度并且獲得可接受的焊接質(zhì)量，也就是非常少量的裂紋以及非常小的平 均裂紋長度。由于在具有局部處于熔化池旁的保護(hù)氣體氣氛的室溫下實(shí)施焊接過程的可能 性，按本發(fā)明的焊接方法實(shí)現(xiàn)了較高的經(jīng)濟(jì)性。所述方法尤其可以設(shè)計成堆焊方法，其中按層地施加焊接填料。在此，相互跟隨的層的焊接方向能夠相互旋轉(zhuǎn)尤其90°。通過旋轉(zhuǎn)不同層的焊接方向，尤其在熱輸入?yún)^(qū)域和 輸入?yún)^(qū)域還沿著焊接方向以圍繞焊接方向振蕩的軌道在工件表面上運(yùn)動時能夠避免層之 間的連接缺陷。不規(guī)則分布的枝狀晶定向主要處于焊接軌跡的上面一半中。因此在按本發(fā)明的方 法中有利地將前面施加的層再熔化到少于其層厚的一半的程度。在此，在凝固時承受再熔 化區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)。通過微小的再熔化深度確保了凝固前線放在具有不規(guī)則分布的枝狀晶 定向的區(qū)域上。結(jié)果是，這在多層焊接中導(dǎo)致產(chǎn)生了具有晶粒的多晶體，所述晶粒的直徑平 均很小。晶界通常是在焊接過程或者后面的熱處理過程期間的瞬時應(yīng)力下形成裂紋方面的 薄弱部位。通過晶界在平面內(nèi)微小的伸展以及其在用按本發(fā)明的方法進(jìn)行焊接的焊接物中 不規(guī)則的定向使得焊接物對于裂紋形成不敏感，從而能夠在室溫下實(shí)施焊接過程。按本發(fā)明的方法不僅能夠應(yīng)用在多晶體的基底中而且也能夠應(yīng)用在定向凝固的 或者單晶的基底中。在所有所述情況下能夠?qū)⒑琘’的鎳基超合金用作焊接填料。在按本發(fā)明的焊接方法的范圍內(nèi)，可以在施加焊接填料之后進(jìn)行熱處理。用與焊 接物匹配的熱處理能夠調(diào)節(jié)所希望的Y’形態(tài)。這用于進(jìn)一步改善焊接物的強(qiáng)度。按本發(fā)明的用于焊接耐高溫的超合金的焊接裝置適合于實(shí)施按本發(fā)明的方法，該 焊接裝置包括用于在工件表面上產(chǎn)生熱輸入?yún)^(qū)域的熱源、用于將焊接填料輸入所述熱源的 輸入裝置以及用于產(chǎn)生一方面熱輸入?yún)^(qū)域和輸入裝置與另一方面工件表面之間的相對運(yùn) 動的輸送裝置。所述輸送裝置有利地與熱源和用于焊接填料的輸入裝置連接，從而為了引 起相對運(yùn)動而使熱源和輸入裝置運(yùn)動。這通常比讓工件運(yùn)動耗費(fèi)得少。作為熱源，在按本 發(fā)明的焊接裝置中尤其可以使用激光器。此外，按本發(fā)明的焊接裝置包括具有控制程序的 控制單元，該控制程序如此調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，使得冷卻率在材料凝固時至少為8000開每秒。 控制單元尤其如此調(diào)節(jié)在焊接功率以及熱輸入?yún)^(qū)域的直徑方面的焊接參數(shù)，使得冷卻率在 材料凝固時至少為8000開每秒。在此，可以以至少250mm每分鐘的處理速度、尤其用大于 500mm每分鐘的處理速度進(jìn)行焊接。尤其能夠如此控制相對運(yùn)動，使得熱輸入?yún)^(qū)域和輸入?yún)^(qū)域沿著焊接方向以圍繞焊 接方向振蕩的路徑在工件表面上運(yùn)動。此外，所述控制單元能夠如此執(zhí)行具有振蕩或者沒 有振蕩的相對運(yùn)動，從而在相互跟隨的層中將焊接方向相互旋轉(zhuǎn)例如90°。按本發(fā)明的焊接裝置實(shí)現(xiàn)了通過使用控制程序來實(shí)施按本發(fā)明的焊接方法，所述 控制程序為了焊接過程包含在方法范圍內(nèi)描述的焊接參數(shù)，例如一方面熱源和輸入裝置與 另一方面工件之間的相對運(yùn)動的軌道、處理速度、激光器功率、射束直徑等。在方法范圍內(nèi) 描述的方法參數(shù)以及機(jī)理幫助抑制在基材和熔液中形成裂紋例如凝固裂紋或者再熔化裂 紋。尤其在不僅基材而且焊接填料都是形成Y’的鎳基超合金時也是這種情況。由此獲得 可用按本發(fā)明的方法和按本發(fā)明的焊接裝置實(shí)現(xiàn)的焊接質(zhì)量，該焊接質(zhì)量對于例如為了在 渦輪機(jī)葉片或者其它工件的承受高載荷的區(qū)域中進(jìn)行修復(fù)或者接合而在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的焊 接來說是可接受的。


本發(fā)明的其它特征、特性和優(yōu)點(diǎn)從下面參照附圖對實(shí)施例所作的描述中獲得。圖1示例性地示出了燃?xì)鉁u輪機(jī)的部分縱剖圖。
圖2示出了渦輪機(jī)葉片的透視圖。圖3示出了燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒室的部分剖開的透視圖。圖4示出了按本發(fā)明的焊接裝置的示意圖。圖5示出了焊接填料上第一層的焊道。圖6示出了焊接填料上第二層的焊道。
具體實(shí)施方式
圖1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101的轉(zhuǎn)子 103，該轉(zhuǎn)子也稱為渦輪機(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，例如四個前后連 接的渦輪機(jī)級112形成了渦輪機(jī)108。每個渦輪機(jī)級112例如由兩個葉片環(huán)形成。沿著工作介質(zhì)113的流動方向看，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133安置在轉(zhuǎn)子103上。發(fā)電機(jī)或者工作機(jī)器(沒有示出)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)動轉(zhuǎn)子103并且該轉(zhuǎn)子驅(qū)動聯(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的流動方向看的第一渦輪機(jī) 級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 1 204 776 Bi、EP 1 306 454、EP 1 319 729AU WO 99/67435 或者 WO 00/44949 公開。所述葉片120、130同樣可以具有抗腐蝕的涂層(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、鈧(Sc)和/或至少一 種稀土元素或者說鉿)。這種合金由EP 0 486 489 Bi、EP 0 786 017 Bi、EP 0 412 397 Bl 或者 EP 1 306 454 Al 公開。7
在MCrAlX上還可以存在隔熱層，該隔熱層例如由&02、Y2O3-ZrO2制成，也就是說 該隔熱層不是部分或者完全地通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂來穩(wěn)定。通過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。所述導(dǎo)向葉片130具有面對渦輪機(jī)108的內(nèi)部殼體138的導(dǎo)向葉根(這里沒有示 出)以及與導(dǎo)向葉根對置的導(dǎo)向葉片頂部。該導(dǎo)向葉片頂部面對轉(zhuǎn)子103并且固定在定子 143的固定環(huán)140上。圖2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先后跟隨地具有固定區(qū)域400、鄰接的葉片平臺 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(沒有示出)。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 者盤上(沒有示出)。例如將葉根183設(shè)計成錘頭。其它作為揪樹葉根或者燕尾葉根的設(shè)計方案也是可 以的。所述葉片120、130對于流過葉身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 1 204 776 Bi、EP 1 306 454、EP 1 319 729AU WO 99/67435 或者 WO 00/44949 公開。在此，所述葉片120、130可以通過鑄造方法、也借助于定向凝固、通過鍛造方法、 通過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。例如通過由熔液的定向凝固來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 是在工件的整個長度上延伸的并且在這里根據(jù)普通的語言慣用語稱為定向凝固的晶粒) 要么形成單晶的結(jié)構(gòu)，也就是整個工件由一個唯一的晶體構(gòu)成。在這種方法中必須避免過 渡到球狀晶的(多晶的)凝固，因為通過非定向的生長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)人們也稱為定向凝固的組織(directionally solidified structured)。這種方法由US-PS 6，024，792 以及 EP 0 892 090 Al 公開。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0 )、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鉿(Hf))。這種合金由EP 0 486 489 BUEP 0 786 017 BUEPO 412 397 Bl 或者 EP 1 306 454 Al 公開。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，也就是說該隔熱層不是部分或者完全地通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧 化鎂來穩(wěn)定。所述隔熱層覆蓋整個MCrAlX層。通過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。再加工(翻新)是指，所述部件120、130在其使用之后必要時必須除去保護(hù)層(例 如通過噴砂)。隨后去除腐蝕層和/或氧化層或者說腐蝕產(chǎn)物和/或氧化產(chǎn)物。必要時也 還要修復(fù)部件120、130中的裂紋。隨后重新對部件120、130進(jìn)行涂層并且重新使用部件 120,130ο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還具有薄膜冷卻孔418 (虛線示出)。圖3示出了燃?xì)鉁u輪機(jī)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。為了在這種對于材料來說不利的工作參數(shù)下也能實(shí)現(xiàn)較長的使用 壽命，燃燒室壁153在其面對工作介質(zhì)M的一側(cè)設(shè)有由隔熱元件155形成的內(nèi)襯板。每個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 稀土元素或者說鉿(Hf)。這種合金由 EP 0 486 489 BUEP 0 786 017 BUEP 0 412 397 Bl 或者 EP 1 306 454 Al 公開。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，也就是說該隔熱層不是部分或者完全地通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂來穩(wěn)定。通過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。可以考慮其它涂層方法，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，所述隔熱元件155在其使用之后必要時必須除去保護(hù)層(例 如通過噴砂)。隨后去除腐蝕層和/或氧化層或者說腐蝕產(chǎn)物和/或氧化產(chǎn)物。必要時也 還要修復(fù)隔熱元件巧5中的裂紋。隨后重新對隔熱元件155進(jìn)行涂層并且重新使用隔熱元 件 155。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還具有通入燃燒室空間 154的冷卻孔(沒有示出)。圖4以非常示意性的視圖示出了按本發(fā)明的焊接裝置1。所述焊接裝置包括激光器3以及粉末輸入裝置5，用該粉末輸入裝置能夠?qū)⒎勰?狀的焊接填料施加到工件9的有待焊接的區(qū)域上。借助于激光束在工件表面上形成熱輸入 區(qū)域11，由粉末輸入裝置5也將粉末13置入該熱輸入?yún)^(qū)域11中。所述激光器優(yōu)選是300W 激光器，尤其是Nd-YAG激光器，特別具有λ = 1. 06 μ m。該激光器功率在100W和300W之 間，并且優(yōu)選在100W和200W之間，尤其在100W和150W之間。就這樣有利地很好地熔化焊 接材料并且也熔化底座，由此獲得密封的焊接部位。所述激光器3和粉末輸入裝置5布置在掃描裝置15上，該掃描裝置實(shí)現(xiàn)了將激光 器3和粉末輸入裝置5沿著具有有待焊接的區(qū)域7的部件表面在兩個維度中(圖4中的χ 和y方向)進(jìn)行移動。處理速度至少為250mm/min，特別是400mm/min-600mm/min，尤其是 500mm/min。如此實(shí)現(xiàn)了將熱量有利地輸入焊接材料和基底中。此外，按本實(shí)施例的掃描裝置15實(shí)現(xiàn)了激光器3和粉末輸入裝置5垂直于部件表 面(圖4中的ζ方向)的移動。由此，借助于掃描裝置15能夠沿著預(yù)先給定的路徑移動熱 輸入?yún)^(qū)域和粉末的沖擊區(qū)域。作為掃描裝置例如可以使用機(jī)械臂。激光束的直徑尤其為 500 μ m到700 μ m,特別是600 μ m。由此能夠有利地加熱輸入的焊接材料。通過控制單元17對由掃描裝置15促成的運(yùn)動進(jìn)行控制，該控制單元也控制焊接 過程的其余參數(shù)。然而與本實(shí)施例不同的是，也可以通過附加的控制、也就是與運(yùn)動過程的 控制分開地對焊接過程的其余參數(shù)進(jìn)行控制。此外與所示出的實(shí)施例不同的是，也可以使 用可運(yùn)動的部件夾具來代替用于使激光器3和粉末輸入裝置5運(yùn)動的掃描裝置15。在本發(fā) 明的范圍內(nèi)，只有在一方面激光器3以及粉末輸入裝置5和另一方面工件9之間的相對運(yùn) 動是有意義的。按本發(fā)明的用于給工件表面進(jìn)行堆焊的方法能夠用于在部件9的有待焊接的區(qū) 域7上進(jìn)行材料施加尤其多層的材料施加。在此，所述部件9既不需要預(yù)熱，也不需要借助 于熱處理進(jìn)行過時效處理。下面根據(jù)在作為工件的渦輪機(jī)葉片9的表面10上的堆焊對本方法進(jìn)行描述。 本實(shí)施例的渦輪機(jī)葉片由Y，增強(qiáng)的鎳基超合金制成，例如由IN738LC、IN939、Rene80, IN6203DS、PWA1483SX、Alloy247等制成。渦輪機(jī)葉片9的表面10中有待焊接的區(qū)域7按層 進(jìn)行堆焊，其中熱輸入?yún)^(qū)域連同用于粉末13的沖擊區(qū)域一起沿著焊接方向在渦輪機(jī)葉片9的有待焊接的區(qū)域7上運(yùn)動。在這種情況下，所述粉末13是由含Y’的鎳基超合金制成的 粉末，例如由 IN738LC、IN939、Rene80、IN6203DS、PWA1483、Alloy247 等制成。在圖5中示意性地示出了熱輸入?yún)^(qū)域11以及粉末13的沖擊區(qū)域在堆焊第一層時 在有待焊接的區(qū)域7上經(jīng)過的路徑Pl。附圖示出了具有有待焊接的區(qū)域7以及在堆焊第一 層19時的焊接方向Sl的渦輪機(jī)葉片9。然而，同時表示用于粉末13的沖擊區(qū)域的熱輸入 區(qū)域U沒有沿著焊接方向Sl線性移動，而是在沿著焊接方向移動的同時沿著垂直于焊接 方向的方向振蕩。由此，熱輸入?yún)^(qū)域11和粉末13的沖擊區(qū)域在有待焊接的區(qū)域7上產(chǎn)生 了曲折形的路徑Pl。為了堆焊第二層21 (圖4)，稍微沿著掃描裝置15的ζ方向移動激光器3和粉末輸 入裝置5。此外，在本實(shí)施例中焊接方向S2相對于用于第一層的焊接方向Sl旋轉(zhuǎn)了 90°。 在圖6中示出了熱輸入?yún)^(qū)域11和用于粉末13的沖擊區(qū)域在堆焊第二層21時的路徑P2。 在堆焊第二層21時，熱輸入?yún)^(qū)域11連同粉末13的沖擊區(qū)域一起也沿著垂直于焊接方向S2 的方向振蕩。因此，總體上獲得了熱輸入?yún)^(qū)域11和用于粉末13的沖擊區(qū)域在有待焊接的 區(qū)域7上的曲折形的路徑P2。在實(shí)施例范圍內(nèi)描述的路徑僅僅表示不同可能的變型方案之一。原則上存在多種 方案用于實(shí)施焊接1.單向的或者2.雙向的(例如曲折形的)堆焊。在每種變型方案中， 第二層的軌跡(路徑)可以與第一層的軌跡(路徑)平行錯開地或者垂直地進(jìn)行焊接?？?以在按本發(fā)明的方法的范圍內(nèi)應(yīng)用所有這些變型方案。在激光器和粉末輸入單元移動時可以如此選擇所述振蕩，從而沿著焊接方向以一 個唯一的路徑掃過整個有待焊接的區(qū)域7，如圖5中所示，或者僅僅掃過有待焊接的區(qū)域7 的一部分，并且為了堆焊整個區(qū)域沿焊接方向S2走過多個并排延伸的路徑S2，如圖6中所7J\ ο在本實(shí)施例中以至少500mm/min的處理速度進(jìn)行熱輸入?yún)^(qū)域11和粉末13的沖擊 區(qū)域沿著路徑Pl或者說P2的移動。在此，如此選擇激光器功率、射束直徑和粉末流，使得 凝固時掃過的區(qū)域的冷卻率大于8000K/S。此外，在堆焊第二層21時如此選擇關(guān)于激光器 功率和射束直徑的處理參數(shù)，使得第一層19再次熔化的再熔化深度小于第一層19的軌跡 高度的50%。在圖4中用虛線示出了再熔化深度。原則上也可以使用不同于在本例子中說 明的處理速度，然后必須相應(yīng)地調(diào)整激光器功率、射束直徑和粉末流這些其余的參數(shù)。通過高的冷卻率以及高的凝固速度在一定程度上提高了分配系數(shù)，從而在一定程 度上避免了微觀偏析。通過熱輸入?yún)^(qū)域11引起的熔液枝狀地凝固，其中晶體結(jié)構(gòu)由在再熔 化的區(qū)域中存在的晶體結(jié)構(gòu)承擔(dān)。在此，枝狀晶的生長方向沿著路徑P1、P2改變。對此的 原因是，枝狀晶的可能的生長方向的定向朝溫度梯度變化，其中生長方向具有朝溫度梯度 最小的傾向或者說具有最小的生長速度。此外，在凝固前線前面形成的并且在凝固時由凝 固前線填補(bǔ)的晶核推動了按統(tǒng)計學(xué)分布的枝狀晶生長方向。不規(guī)則分布的枝狀晶定向絕大 多數(shù)處于層19的上面一半中。因此，用微小的再熔化深度確保了將凝固前線放到具有不規(guī) 則分布的枝狀晶定向的區(qū)域上，這在多層堆焊時導(dǎo)致產(chǎn)生具有直徑平均很小的晶粒的多晶 體。由此，所述渦輪機(jī)葉片9的焊接的區(qū)域?qū)τ诹鸭y形成不敏感。在涂覆所需要數(shù)量的層19、21之后，可以使渦輪機(jī)葉片9經(jīng)受熱處理，該熱處理使 得出現(xiàn)所希望的Y’形態(tài)。這用于進(jìn)一步改善渦輪機(jī)葉片9的焊接的區(qū)域的強(qiáng)度。
用按本發(fā)明的方法能夠在室溫下并且在有待焊接的部件沒有事先進(jìn)行過時效處 理的情況下進(jìn)行堆焊，其中抑制形成凝固裂紋以及再熔化裂紋。這引起對于結(jié)構(gòu)上的焊接 來說尤其可以被燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片的經(jīng)受高載荷的區(qū)域所接受的然而也被其它部件所接受 的焊接質(zhì)量。同時，僅僅對基材產(chǎn)生非常小的影響，因為由于較小的熱影響區(qū)域(不進(jìn)行預(yù) 熱)以及對熱影響區(qū)域中再熔化裂紋的抑制僅僅將非常少的熱量輸入基底中。
權(quán)利要求
1.用于焊接由耐高溫的超合金制成的工件(9)的方法，其中，借助于熱輸入?yún)^(qū)域(11) 以及用于將焊接填料輸入熱輸入?yún)^(qū)域(11)中的輸入?yún)^(qū)域?qū)⒑附犹盍?1 施加到工件表面 (10)上，其中，一方面所述熱輸入?yún)^(qū)域(11)和所述輸入?yún)^(qū)域與另一方面所述工件表面(10) 之間相對運(yùn)動，其特征在于，至少選擇焊接功率、處理速度、焊接射束的直徑這些焊接參數(shù)，使得材料凝固時的冷卻 率至少為8000開每秒(K/s)。
2.按權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于，調(diào)節(jié)關(guān)于焊接功率以及熱輸入?yún)^(qū)域的直徑方面的焊接參數(shù)，使得材料凝固時的冷卻率 至少為8000開每秒(K/s)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法， 其特征在于，所述處理速度至少為250mm/min，尤其是400mm/min-600mm/min，特別是500mm/min。
4.按權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中，通過按層地施加焊接填料(1 來產(chǎn)生焊縫。
5.按權(quán)利要求4所述的方法， 其中，熔化前面的層(19)。
6.按權(quán)利要求5所述的方法， 其特征在于，將前面施加的層(19)再熔化到小于其層厚的一半。
7.按權(quán)利要求2、4、5或6所述的方法， 其特征在于，對于每個層(19、21)來說，所述熱輸入?yún)^(qū)域(11)和所述輸入?yún)^(qū)域沿著焊接方向(Si、 S2)相對于工件表面(10)運(yùn)動，并且相互跟隨的層(19、21)的焊接方向(S1、S2)相對旋轉(zhuǎn)。
8.按權(quán)利要求1到7中一項或者多項所述的方法， 其特征在于，所述熱輸入?yún)^(qū)域(11)和所述輸入?yún)^(qū)域沿著焊接方向(S1、S》以圍繞所述焊接方向振 蕩的路徑(P1、P2)相對于工件表面(10)運(yùn)動。
9.按權(quán)利要求1到8中一項或者多項所述的方法， 其特征在于，所述工件(9)具有含Y’的鎳基超合金，尤其由該鎳基超合金制成，并且所述焊接填料 (13)是形成Y，的鎳基超合金材料。
10.按權(quán)利要求1到9中一項或者多項所述的方法， 其特征在于，在施加焊接填料(1 之后進(jìn)行熱處理。
11.按權(quán)利要求1到10中一項或者多項所述的方法， 其中，使用300W激光器。
12.按權(quán)利要求11所述的方法，其中，使用Nd-YAG激光器，尤其具有λ = 1.06ym。
13.按權(quán)利要求11或12所述的方法，其中，激光器功率為100W到300W，尤其是100W到200W，特別是100W到150W。
14.按上述權(quán)利要求中一項或者多項所述的方法， 其中，激光束的直徑為500 μ m到800 μ m,尤其是600 μ m。
15.按上述權(quán)利要求中一項或者多項所述的方法， 其中，實(shí)現(xiàn)了多晶體的焊縫(19、21)。
16.用于焊接由耐高溫的超合金制成的工件(9)的焊接裝置，該焊接裝置包括 -用于在工件表面(10)上產(chǎn)生熱輸入?yún)^(qū)域(11)的熱源(3)；-用于將焊接填料(1 輸入所述熱輸入?yún)^(qū)域(11)的輸入裝置(5)以及 -用于產(chǎn)生一方面所述熱源C3)和所述輸入裝置( 與另一方面所述工件表面(10)之 間的相對運(yùn)動的輸送裝置(15)，其特征在于，設(shè)有控制單元(17)，該控制單元能夠調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，使得材料凝固時的冷 卻率至少為8000開每秒。
17.按權(quán)利要求16所述的焊接裝置， 其特征在于，所述控制單元(17)能夠調(diào)節(jié)關(guān)于焊接功率以及熱輸入?yún)^(qū)域(11)的直徑方面的焊接參 數(shù)，使得材料凝固時的冷卻率至少為8000開每秒。
18.按權(quán)利要求16或17所述的焊接裝置， 其特征在于，所述控制單元(17)能夠執(zhí)行具有至少250mm每分鐘的處理速度的相對運(yùn)動。
19.按權(quán)利要求16到18中一項或者多項所述的焊接裝置， 其特征在于，控制程序使所述熱輸入?yún)^(qū)域(11)和所述輸入?yún)^(qū)域沿著焊接方向(Si、S2)以圍繞焊接 方向(S1、S2)振蕩的路徑(P1、P2)在工件表面(10)上運(yùn)動。
20.按權(quán)利要求16到19中一項或者多項所述的焊接裝置， 其特征在于，所述熱源( 是激光器。
21.按權(quán)利要求16到20中任一項所述的焊接裝置， 其特征在于，控制程序在按層焊接時能夠?qū)⑾嗷ジS的層(19、21)的焊接方向(S1、S2)相對旋轉(zhuǎn)。
22.按上述權(quán)利要求16到21中一項或者多項所述的焊接裝置，該焊接裝置具有300W激光器，尤其是Nd-YAG激光器，特別具有λ = 1.06μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于焊接由耐高溫的超合金制成的工件的方法和裝置。用于焊接由耐高溫的超合金制成的工件(9)的焊接裝置包括用于在工件表面(10)上產(chǎn)生熱輸入?yún)^(qū)域(11)的熱源(3)；用于將焊接填料(13)輸入所述熱輸入?yún)^(qū)域的輸入裝置(5)以及用于產(chǎn)生一方面熱源(3)和輸入裝置(5)與另一方面工件表面(10)之間的相對運(yùn)動的輸送裝置(15)。該焊接裝置還包括具有控制程序的控制單元(17)，該控制程序執(zhí)行相對運(yùn)動，從而調(diào)節(jié)焊接功率以及熱輸入?yún)^(qū)域(11)的直徑，使得材料凝固時的冷卻率至少為8000開每秒。
文檔編號B23K26/34GK102039494SQ20101051092
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者A·加澤, B·布爾鮑姆, G·博斯坦約格洛, M·奧特, N·皮爾赫, N·阿爾雅金, R·維爾肯赫納, S·林嫩布林克, T·揚(yáng)博爾, T·梅爾策-約基施 申請人:弗勞恩霍弗實(shí)用研究促進(jìn)協(xié)會, 西門子公司