一種高鋁鈦型鎳基高溫合金的堆焊設備及其方法
2023-06-02 04:22:51
專利名稱：一種高鋁鈦型鎳基高溫合金的堆焊設備及其方法
技術領域：
本發明涉及焊接工藝領域，更具體地說，涉及高鋁鈦型鎳基高溫合金的堆焊工藝。
背景技術：
現代高性能航空發動機和燃氣輪機熱端部件製造主要採用高鋁、鈦(鋁+鈦含量總和大於6%)鎳基高溫合金。由於這些熱端部件設計製造時選用了優良的合金、特殊複雜的冷卻結構及很好的防護塗層，造價昂貴。另一方面，這些部件工作在高溫、高壓、腐蝕性燃氣環境中，又是易損件，常常產生各種早期損傷，如磨損、裂紋和燒蝕等。對於易損壞的燃氣輪機葉片來說，一旦發生損傷就意味著失去使用價值，需要更換，由於這些易損壞的葉片價格極為昂貴，更換的成本是天文數字。因此很長時間以來，人們就注意到修復技術所帶來的巨大經濟效益，但由於受到技術發展水平的局限，修復技術的發展較慢。近30年來，隨著航空事業和燃氣發電事業的迅速發展，葉片與熱端部件的修復技術已有了長足的進步。以焊接技術為主導的相關工藝方法圍繞著解決葉片與熱端部件的修復問題形成了一個燃氣輪機發動機修復技術的系統工程。鋁、鈦是燃氣輪機葉片材料——鎳基高溫合金的主要沉澱強化元素，隨著鋁、鈦含量的增加，鎳基高溫合金Y 『 -Ni3(鋁，鈦)相體積百分數增加，高溫強度增加，但是熱裂紋敏感性也隨之增加，對於高鋁鈦的鎳基高溫合金來說，採用熔焊工藝修復所要面臨的主要問題就是該材料的裂紋敏感性很高，採用普通的焊接工藝，裂紋發生概率為95%以上，如何實現高鋁、鈦鎳基高溫合金材料的表面無損傷熔焊處理一直是高鋁、鈦鎳基高溫合金葉片與熱端部件製造與再製造面臨的難題。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種堆焊設備及其方法，實現高鋁鈦鎳基高溫合金(鋁+鈦含量總和大於6% )的表面無損傷焊接。本發明的目的通過下述技術方案予以實現—種高鋁鈦型鎳基高溫合金的堆焊設備，包括保護氣罩、焊槍、熔焊電源，其中所述保護氣罩的圓周外圍設置感應線圈，通過感應對保護氣罩內的工件進行加執.
y 、人 所述焊槍與熔焊電源相連，對工件實施等離子體熔焊堆焊；所述保護氣罩的下端與氣罩保護氣相連，以使保護氣在保護氣罩中由下向上流動，為工件提供惰性氣氛保護。所述感應加熱的溫度為使工件的溫度達到700-1100°C。所述堆焊設備中，還包括紅外測溫裝置，用於檢測工件的溫度。一種利用上述設備進行堆焊的方法，按照下述步驟進行(1)將工件固定在保護氣罩內的夾具上；
(2)打開氣罩保護氣，使保護氣體在保護氣罩中由下向上流動，為工件提供惰性氣氛保護；(3)打開感應加熱器對工件進行加熱，待工件溫度到達預定溫度後，停止加熱，調整感應加熱器為保溫檔；(4)打開等離子焊機，實施堆焊。其中步驟(3)中可採用紅外線溫度計檢測工件的加熱溫度。所述保護氣體的流量為15-30L/min，優選20_25L/min。所述對工件的感應加熱溫度為700-1100°C，優選800-1000°C。對於高鋁鈦(鋁+鈦含量總和大於6% )的鎳基鑄造基高溫合金來說，採用熔焊工藝修復所要面臨的主要問題就是該材料的裂紋敏感性很高，究其原因一方面是因為此類高溫合金的強化機制很多，材料強度極大，塑性與韌性較差造成的。另一方面由於熔焊過程中不合理的熱輸入造成了較大的溫度梯度，溫度梯度產生很大的熱應力，這種熱應力以拉應力的形式存在，造成了熔焊過程中高鋁鈦含量的鎳基高溫合金表面開裂。本發明的技術方案採用堆焊技術實現對高鋁、鈦鎳基高溫合金材料的表面無損傷熔焊，著重考慮以下因素(1)高溫預熱鋁+鈦含量總和大於6%的鎳基高溫合金工件由於其材料強度大，韌性差，導熱性能低。在熔焊過程中熔池溫度與基體溫度梯度很大，產生了很大的熱應力，熱應力是造成高鋁鈦鎳基高溫合金表面裂紋的主要因素，為降低溫度梯度避免較大的熱應力發生，需要在很高的溫度下焊接，必須進行焊前高溫預熱處理。本技術方案選擇的預熱溫度區間在 700-1100°C，優選800-1000°C。同時為使操作更加便捷，本發明採用感應加熱的方法直接對工件進行預熱。(2)惰性氣體保護本發明採用的預熱溫度區間較高，工件處於這種溫度時，暴露在空氣中會使工件表面產生大量的氧化層，這種氧化層對於堆焊層的結合強度具有重大影響，為避免高溫氧化，需要進行惰性氣體保護，本發明採用高純度惰性氣體(例如氬氣、氦氣)作為保護氣，將工件置於一個氣體保護罩內，通過調節惰性氣體流量和工件的位置使其處於惰性氣體保護內，避免氧化層的影響。需要指出的是，由於採用感應加熱的方式，保護氣罩宜採用玻璃，避免產生感應熱。(3)熔焊方法為避免感應加熱的電磁場對焊接電弧的影響，本發明選擇焊接電弧挺度較好的等離子電弧進行熔焊，並根據情況選用高溫合金用焊絲和調整焊接參數非轉移弧電流為 1-10A、非轉移弧氣流為l_5L/min、轉移弧電流為10-20A、轉移弧氣流為10_25L/min。本發明的技術方案可以實現高鋁鈦鎳基高溫合金的表面無損傷堆焊，如附圖2 (b) (c)所示，黑色的部分是母材，白色部分為焊縫區，整個焊縫區都沒有發現裂紋，因此可以實現大部分航空發動機燃氣輪機葉片的熔焊修復與材料的可循環利用。
圖1是高鋁鈦鎳基高溫合金預熱保護焊接系統的示意圖。
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圖2是本發明進行堆焊後的熔焊金相照片(a)不使用本發明系統的K403堆焊焊縫；(b)使用本發明系統的K403堆焊焊縫；(c)使用本發明系統的K403堆焊焊縫。
具體實施例方式下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。選用鎳基鑄造基高溫合金K403進行表面無損傷堆焊，其中K403的化學成分如下
表所示
權利要求
1.一種高鋁鈦型鎳基高溫合金的堆焊設備，包括保護氣罩、焊槍、熔焊電源，其特徵在於，其中所述保護氣罩的圓周外圍設置感應線圈，通過感應對保護氣罩內的工件進行加熱； 所述焊槍與熔焊電源相連，對工件實施等離子體熔焊堆焊；所述保護氣罩的下端與氣罩保護氣相連，以使保護氣在保護氣罩中由下向上流動，為工件提供惰性氣氛保護。
2.根據權利要求1所述的一種高鋁鈦型鎳基高溫合金的堆焊設備，其特徵在於，所述感應加熱的溫度為使工件的溫度達到700-1100°C。
3.根據權利要求1所述的一種高鋁鈦型鎳基高溫合金的堆焊設備，其特徵在於，所述堆焊設備中，還包括紅外測溫裝置，用於檢測工件的溫度。
4.一種利用權利要求1所述的設備進行堆焊的方法，其特徵在於，按照下述步驟進行(1)將工件固定在保護氣罩內的夾具上；(2)打開氣罩保護氣，使保護氣體在保護氣罩中由下向上流動，為工件提供惰性氣氛保護；(3)打開感應加熱器對工件進行加熱，待工件溫度到達預定溫度後，停止加熱，調整感應加熱器為保溫檔；(4)打開等離子焊機，實施堆焊。
5.根據權利要求4所述的堆焊方法，其特徵在於，步驟(3)中使用紅外線溫度計檢測工件的加熱溫度。
6.根據權利要求4所述的堆焊方法，其特徵在於，所述保護氣體的流量為15-30L/min。
7.根據權利要求6所述的堆焊方法，其特徵在於，所述保護氣體的流量為20-25L/min。
8.根據權利要求4所述的堆焊方法，其特徵在於，步驟(3)中對工件的感應加熱溫度為 700-1100°C。
9.根據權利要求8所述的的堆焊方法，其特徵在於，步驟(3)中對工件的感應加熱溫度為 800-1000°C。
全文摘要
本發明公開了一種堆焊設備及其方法，包括保護氣罩、焊槍、熔焊電源，其中保護氣罩的圓周外圍設置感應線圈，通過感應對保護氣罩內的工件進行加熱；焊槍與熔焊電源相連，對工件實施等離子體熔焊堆焊；保護氣罩的下端與氣罩保護氣相連，以使保護氣在保護氣罩中由下向上流動，為工件提供惰性氣氛保護。利用本發明技術方案，整個焊縫區都沒有發現裂紋，可有效實現高鋁鈦型鎳基高溫合金(鋁+鈦含量總和大於6％)的表面無損傷焊接。
文檔編號B23K31/02GK102218618SQ20111015719
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月13日 優先權日2011年6月13日
發明者力航, 韓敬華, 高瑩 申請人:天津職業技術師範大學