渦輪葉片榫接件的修復的製作方法

2023-05-06 09:01:51

專利名稱：渦輪葉片榫接件的修復的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種修復渦輪葉片尖端上的損壞榫接件的裝置和方法，並且特別涉及一種減小製造循環時間、成本、人工並改善質量的修復腐蝕榫接件的裝置和方法。
背景技術：
例如蒸汽渦輪葉片的渦輪葉片通常設置覆蓋葉片尖端的環形蓋。蓋用來衰減並加強葉片的響應，並還提供可以設置密封件的環形帶。蓋通常設置成覆蓋多個葉片尖端的弧形部段。在原來製造的葉片中，一個或多個榫接件設置成從葉片尖端伸出，並容納在蓋的相應開口中。接著榫接件被敲擊或者固定在蓋上以便將蓋保持在葉片上。在特別是長時間使用例如蒸汽渦輪的渦輪的情況下，葉片榫接件被腐蝕，需要通過修復榫接件並將蓋固定在葉片尖端上來修整葉片/蓋組件。
以前，為了修複葉片榫接件，從渦輪上拆卸葉片，其中每個單獨的葉片放置在工作檯上。腐蝕的榫接件接著磨削成尖端上的小塊或與葉片尖端平齊。榫接件尖端進行預熱並清理。焊接材料接著在多個道次中手動施加在尖端上，嚴密注意預熱的程度。堆焊接著被去除應力並加工以便形成新的或修復的榫接件。這種現有技術的方法手動完成，費事並成本高，造成生產效率非常低。

發明內容
按照本發明的優選實施例，提供一種減小製造循環時間、成本和人工並通過自動修複方法改善質量的裝置和方法。在其一個方面中，最好是臺子的固定裝置包括將成組的葉片夾緊在臺子上的多個夾具，成組的葉片例如分成各有四個葉片的兩組。葉片因此在臺子上夾緊在預定位置上。一組葉片最好通過感應線圈進行預熱，而使用機器人承載焊接頭在多個道次中將焊接材料順序施加到另一組的葉片尖端上。在每個葉片尖端進行溫度測量之後，在多個道次中施加焊接材料，使得每個葉片尖端進行充分預熱，以便進行進一步焊接過程。在完成成組葉片的堆焊之後，葉片從臺子固定裝置中取出，放置在顛倒位置的另一固定裝置內並布置在流化床內以便消除應力。臺子固定裝置還進行移動以便將另一組預熱的葉片相對於機器人臂承載的焊接頭定位在焊接位置上，使得焊接材料可在多個道次中順序施加到下一組預熱葉片上。大致在同時，另一組葉片夾緊在臺子固定裝置上並通過感應線圈預熱。該過程重複直到所有損壞榫接件進行充分堆焊和消除應力為止。在消除應力之後，每個葉片尖端處的堆焊最好通過CNC工具機加工以便形成替換榫接件。
將理解到葉片最初可通過單獨夾具固定在預定位置上並不需要位於轉動臺子上。因此，在預熱之後，焊接材料可在多個道次中通過機器人順序施加到預熱葉片尖端上，並隨後消除應力且進行加工。消除應力可通過任何一種公知的技術來實現，其中包括這裡特別說明的技術。
在本發明的優選實施例中，提供一種修復渦輪葉片尖端上的榫接件的方法，包括如下步驟(a)將多個葉片在預定位置上可拆卸地固定在固定裝置上，(b)預熱渦輪葉片，(c)在第一焊接道次內順序施加焊接材料到固定在固定裝置內的預熱葉片的尖端上，(d)在至少一個另外道次內順序施加另外的焊接材料到固定在固定裝置內的葉片尖端上，(e)對葉片消除應力以及(f)加工施加的焊接材料以便在葉片尖端上形成榫接件。
在另一優選實施例中，修復渦輪葉片尖端上的榫接件的方法包括如下步驟(a)在預定位置上固定多個葉片；(b)預熱渦輪葉片；(c)在第一焊接道次內將焊接材料順序施加到固定在固定裝置內的預熱葉片的尖端上，同時葉片固定在預定位置上；(d)施加在至少一個另外道次內將另外的焊接材料順序施加到葉片尖端上，同時葉片固定在預定位置上；(e)對葉片消除應力；以及(f)加工施加的焊接材料以便在葉片尖端上形成榫接件。
在本發明的另一優選實施例中，提供一種將焊接材料施加到渦輪葉片上以便在所述渦輪葉片上形成一個或多個榫接件的組件，包括具有夾具以便在預定位置上將第一和第二組葉片可拆卸地固定在固定裝置上的固定裝置、預熱成組葉片的感應線圈、施加焊接材料到葉片尖端上的焊接頭，固定裝置可在第一和第二位置之間運動，固定裝置在其第一位置上靠近焊接頭定位第一組葉片使得焊接材料施加到葉片尖端上，並且靠近感應線圈定位第二組葉片以便預熱葉片尖端，固定裝置在第二位置上靠近焊接頭定位第二組葉片，使得焊接材料施加到第二組葉片尖端上。


圖1是在渦輪葉片尖端提供堆焊的裝置的局部示意圖；圖2是將葉片夾緊到圖1所示固定裝置上的局部透視圖；圖3是與圖2類似的表示夾緊到固定裝置上的葉片尖端的視圖；圖4是與圖1類似的表示感應加熱線圈和通過工業機器人的機器人臂承載的焊接頭提供堆焊的應用情況；圖5是表示葉片尖端上的堆焊的放大視圖；圖6是保持葉片的另一固定裝置的透視圖，其中尖端上的堆焊在顛倒的位置；圖7是與圖6類似的表示葉片尖端上的堆焊浸入流化床以便消除應力的視圖；圖8是表示葉片尖端上的堆焊的放大局部示意圖；圖9是磨削堆焊以便形成榫接件的CNC工具機的示意圖；以及圖10是表示尖端上最終榫接件的葉片尖端的透視圖。
部件列表組件10、固定裝置12、臺子14、感應加熱線圈16、機器人18、焊接頭20、過中心夾具22、直立件24、止擋26、可運動臂28、葉片30、平臺32、燕尾件34、手柄36、操縱臂42、焊接材料43、控制器44、氣體噴嘴46、紅外掃描器50、支承件60、流化床62、CNC工具機70、葉片榫接件76。
具體實施例方式
參考附圖，特別是圖1，表示出總體標號為10的組件，該組件用於在一定生產率下以提高質量和減小修復循環時間的方式進行預熱並將堆焊材料施加到渦輪葉片的尖端上。圖1所示的組件包括具有進行安裝以便圍繞垂直軸線轉動的臺子14的固定裝置12。組件還包括感應加熱線圈16和安裝焊接頭20的機器人18。
特別是，臺子14包括多個直立的機械式過中心夾具22。夾具安裝在由臺子14承載的直立件24上，並包括止擋26和可運動臂28(圖2和3)。夾具22是公知傳統的，並且用來在預定位置上夾緊葉片30的上端部使其貼靠止擋26。將理解到葉片26包括平臺32和燕尾件34，所述燕尾件34靜置在臺子14頂部上，而葉片30的上端部夾緊在臂28和止擋26之間，如圖3所示。夾具22設置手柄36，夾具可通過手柄進行手動定位以便將葉片夾緊在預定位置上，如圖4所示。
如圖1所示，夾具22沿著臺子14的側部布置成各自具有四個夾具的兩組。將理解到在每組中可以設置或多或少的夾具22，並且成組的夾具不需要沿著臺子的相對側對準，而可以相互以其它角度取向對準。臺子14圍繞中央垂直軸線樞轉，以便定位成組的夾具，並且因此各自位置上的夾緊葉片靠近感應加熱線圈16和機器人18，特別是由機器人18承載的焊接頭20。在所示優選實施例中，臺子14在靠近感應加熱線圈16定位每組葉片的位置和靠近焊接位置上的焊接頭20的位置之間轉動180°，使得焊接頭20可在每組的每個葉片尖端上提供堆焊。臺子14可通過將臺子鎖定在固定支柱上的拐角銷40鎖定在兩個轉動位置的每個位置上。
感應加熱線圈16位於靠近通過夾具22夾緊在臺子上的一組葉片的臺子14的一側上。感應加熱線圈16預熱葉片，而不接觸葉片，由此靠近葉片尖端的翼面截面大致均勻加熱。最好是，感應加熱線圈將葉片翼面預熱到大約450°F的溫度。機器人18可以是傳統的構造，包括操縱臂42、控制承載在臂尖端上的焊接頭20運動的控制器44和提供惰性氣體氛圍以便在渦輪葉片尖端上提供堆焊的氣體噴嘴46。將理解到機器人進行編程以便當葉片尖端位於焊接位置時將焊接材料43施加到葉片尖端上。因此，機器人可進行編程(即教授)以便在這些葉片尖端沿臺子一側夾緊到臺子上的不同位置上將焊接材料順序地施加到葉片尖端上。另外，並且出於以下原因，機器人還承載紅外掃描器50，使得在焊接之前確保每個葉片尖端的溫度。機器人18可以是由Tipp City，Ohio的Daihen，Inc.製造並在其認明商標OTC-Almega XSeries下銷售的類型。
參考圖6和7，還提供一種另外的固定裝置或支承件60以便在顛倒位置上支承葉片，其中堆焊材料位於葉片的懸置尖端上。因此，當足夠的堆焊材料施加在一組葉片上時，葉片從臺子上的夾緊位置手動拆卸並插入支承件60。在圖7中表示支承件60，其中包括堆焊的葉片尖端浸入流化床62。流化床62可以是包括保持小金屬或陶磁小球的容器，小球在容器62中通過加熱空氣流化，加熱空氣供應到容器底部以便在小球內部和附近向上並通過容器底部向外流動。在64處示意表示的加熱空氣的供應可通過電或煤氣爐(未示出)來提供，並吹入容器62。通過將在每個葉片尖端上包括堆焊材料的葉片尖端浸入容器62，通過將大致均勻的溫度施加到葉片上而對於葉片進行高溫消除應力。一旦進行應力消除，圖8所示的堆焊可隨後例如通過圖9中70示意表示的CNC工具機進行加工，以便形成圖10所示的葉片榫接件76。
現在將描述修整葉片上的榫接件的過程。將理解到，長時間使用特別是蒸汽渦輪的渦輪，原來製造的榫接件磨損並腐蝕，需要葉片進行修整以便提供新的榫接件，使得蓋固定到修整的葉片上。因此，帶有磨損或腐蝕的榫接件的葉片從渦輪上拆卸，並且從渦輪尖端上通過磨削操作(未示出)去除損壞的榫接件。一旦葉片尖端已經磨削到大致平的構造時，葉片準備進行修整。
葉片以其燕尾件34靜置在臺子上的方式以直立取向布置在臺子14上。葉片翼面的上端部通過夾具22夾緊到臺子上的預定位置上。在所示實施例中，第一組葉片沿著臺子一側夾緊，例如靠近感應加熱線圈16一側。葉片夾緊在與編程到機器人18內的位置相對應的位置上，使得當第一組預熱葉片轉動運動到靠近感應加熱線圈16的運動位置時，機器人將在預定焊接位置施加堆焊。當夾緊在運動位置上第一組葉片靠近預熱感應加熱線圈16時，線圈16啟動以便將葉片預熱到預定溫度，例如450°F。當達到預定溫度時，臺子14圍繞垂直軸線轉動，在此實例中是180°，以便將預熱葉片定位在焊接位置。一旦臺子轉動，第二組葉片沿其靠近感應加熱線圈16的一側夾緊到臺子上。將理解到在第一組葉片位於焊接位置並且堆焊材料施加到葉片尖端上的同時，沿著臺子相對側的第二組葉片通過感應加熱線圈16預熱。
當第一組葉片位於焊接位置時，機器人18啟動以便順序施加堆焊材料到每個預熱葉片尖端上。特別是，機器人18啟動以便將包括氣體噴嘴46的焊接頭20靠近預熱葉片尖端定位，如圖5所示。紅外掃描器50掃描葉片尖端，以確保在葉片尖端內保留的預熱足以施加焊接材料。焊接技術可以是許多焊接技術中的一種技術。例如，使用MIG系統，焊絲連續通過氣體噴嘴上的套環供應，並且CO2或氬氣或其混合物分散以便覆蓋焊點。這些屏蔽氣體驅散大氣並屏蔽焊接頭，使得焊接材料施加到葉片尖端上。當施加預定數量的堆焊材料時，機器人的模式存儲控制器造成機器人臂將焊接頭從第一組葉片的第一葉片尖端運動到第二葉片尖端，其中施加堆焊材料的過程重複。掃描器50讀取溫度，並且如果適當，堆焊材料施加到第二葉片尖端上。機器人隨後在第一道次內將堆焊材料施加到臺子上的預定位置上以及在焊接位置上的第一組葉片的每個葉片尖端上。施加堆焊材料受到限制以便限制葉片吸收的熱量大小。紅外掃描器在施加焊接材料之前監測每個葉片尖端的溫度，如果監測的溫度過高，機器人停止焊接過程直到達到適當溫度為止。相反，如果尖端溫度過低而不能充分焊接，可以進行另外加熱。
當完成將堆焊材料施加在焊接位置上的第一組葉片內的每個葉片尖端上的第一道次時，機器人移動臂以便沿著每個葉片尖端提供第二道次和另外的焊接材料。因此，另外的堆焊材料順序提供到每個葉片尖端上，與第一道次類似。因此，進行多個焊接道次，直到實現所需堆焊為止。
將理解到排序和固定提供兩種功能。首先，對於每個葉片尖端來說在每次焊接開始時將焊接頭定位在相同位置，因此確保所施加的焊接材料的一致性。另外，使得焊接過程中產生的熱量有足夠時間散發並通過傳導穿過材料。這種定時和排序以及監測葉片溫度提供溫度溫度的控制，使得生產率增加。
一旦在第一組葉片上完成堆焊，從臺子14上拆卸葉片，顛倒並定位在支承件60內。一旦從臺子14上拆卸第一組葉片，臺子轉動以便將另一組葉片定位在焊接位置中的臺子相對側上。第二或另一組葉片預熱到適當焊接溫度，並且重複焊接過程。另外的葉片同樣位於靠近感應加熱線圈16的現在空置的預定位置上，以便在當前面一組預熱的葉片焊接時，預熱這些另外的葉片。
從臺子14拆卸的具有適當堆焊的第一組葉片定位在支承件60內。支承件60將葉片支承在顛倒的位置上，使得葉片浸入流化床62以便消除應力。在消除應力之後，例如長達大約20分鐘，葉片從流化床中取出，包覆絕緣覆蓋層(未示出)並緩慢冷卻。在冷卻之後，隨後例如通過CNC工具機加工葉片尖端上的堆焊材料，以便形成榫接件。在加工之後，葉片現在完全得到修整並恢復，使得葉片蓋施加到葉片尖端上。
雖然結合當前認為是最為實際和優選的實施例描述了本發明，將理解到本發明不局限於描述的實施例，相反，本發明打算覆蓋包括在所附權利要求的精神和範圍內的多種變型和等同配置。
權利要求
1.一種修復渦輪葉片尖端上的榫接件的方法，包括如下步驟(a)將多個葉片(30)在預定位置上可拆卸地固定在固定裝置(12)上；(b)預熱渦輪葉片(16)；(c)在第一焊接道次內順序施加焊接材料到固定在固定裝置內的預熱葉片的尖端上；(d)在至少一個另外道次內順序施加另外的焊接材料(20)到固定在固定裝置內的葉片尖端上；(e)對葉片消除應力(60)；以及(f)加工(70)施加的焊接材料以便在葉片尖端上形成榫接件(76)。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過施加感應加熱線圈(16)到葉片上同時將葉片固定在固定裝置上來進行步驟(b)。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，固定裝置包括用於在所述預定位置上將第一和第二組葉片分別固定在固定裝置上的至少第一和第二組葉片定位裝置(22)，將在所述預定位置上固定在固定裝置上的第一組葉片相對於焊接頭定位在焊接位置內，使得焊接材料順序施加到第一組葉片的尖端上，並且移動固定裝置，以便將在所述預定位置上固定在固定裝置上的第二組件葉片相對於焊接頭(20)定位在所述焊接位置內，使得焊接材料順序地施加到第二組件葉片的尖端上。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，移動步驟包括轉動固定裝置以便將所述預定位置內的第二組葉片的葉片尖端定位在所述焊接位置上，從而通過焊接頭(20)焊接。
5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，包括通過機器人前進焊接頭，以便當其位於所述焊接位置時，將焊接材料順序地施加到各自第一和第二葉片的葉片尖端上。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟(e)之前，從固定裝置上拆卸葉片，並且其中步驟(e)包括將具有施加焊接材料的葉片尖端布置在流化床(62)中，以便使得葉片消除應力。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，將葉片顛倒為葉片尖端面向下的取向，並且其中步驟(e)包括在第二固定裝置中布置顛倒的葉片，並將第二固定裝置承載的顛倒葉片尖端降低到流化床內。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(c)包括通過機器人控制焊接頭(20)以便在每個所述焊接道次內將焊接材料順序施加到葉片尖端上。
9.一種將焊接材料施加到渦輪葉片上以便在所述渦輪葉片上形成一個或多個榫接件的組件，包括固定裝置(12)，該固定裝置具有夾具(22)以便在預定位置上將第一和第二組葉片可拆卸地固定在固定裝置上；預熱所述成組葉片的感應線圈(16)；施加焊接材料到葉片尖端上的焊接頭(20)；所述固定裝置(12)可在第一和第二位置之間運動，所述固定裝置在所述第一位置上靠近所述焊接頭定位所述第一組葉片，使得焊接材料施加到葉片尖端上，並且靠近感應線圈定位所述第二組葉片，以便預熱葉片尖端，所述固定裝置在所述第二位置上靠近所述焊接頭定位所述第二組葉片，使得焊接材料施加到所述第二組葉片尖端上。
10.如權利要求9所述的組件，其特徵在於，包括機器人(18)，機器人(18)承載所述焊接頭(20)並編程以便將焊接頭固定就位，從而將焊接材料順序地施加到所述成組的葉片尖端上。
11.如權利要求9所述的組件，其特徵在於，包括溫度傳感器(50)，溫度傳感器用來檢測預熱葉片的溫度並連接到所述機器人上，使得只在檢測到的溫度在預定溫度範圍內時，焊接材料施加到葉片尖端上。
全文摘要
通過磨削從葉片尖端上去除需要修復的葉片尖端榫接件。成組葉片(30)在靠近感應加熱線圈(16)的位置上分別夾緊(22)在轉動臺子以及機器人焊接臂(42)上。當一組葉片加熱時，另一組葉片在焊接位置，使得機器人臂上的焊接頭(20)將堆焊材料順序施加到葉片尖端上。在多個道次內將堆焊材料順序施加到葉片尖端之後，拆卸葉片，消除應力(60)並且堆焊材料進行加工以便形成修復的榫接件。當從臺子拆卸葉片時，臺子轉動以便將預熱葉片定位在焊接位置，並且另外的葉片夾緊到臺子上以便預熱。
文檔編號F01D5/00GK1683750SQ20051005941
公開日2005年10月19日 申請日期2005年3月23日 優先權日2004年3月23日
發明者T·J·菲舍爾, J·F·諾蘭, A·J·託姆科, D·W·羅伯茨, C·S·庫克, D·R·帕克 申請人:通用電氣公司