水平焊接方法及其接頭結構的製作方法

2023-05-07 14:40:56 1

專利名稱：水平焊接方法及其接頭結構的製作方法
技術領域：
本發明的實施例一般地涉及焊接方法，並且更特別地，涉及用於在水平位置上焊接的方法和適用於此類方法的接頭結構。
背景技術：
汽輪機轉子和類似設備的製造經常涉及零部件的鎢極惰性氣體保護焊(GTAW)。 GTAW促進提高力學性能，該性能包括連接具有不同基底材料的部件的能力，正如在高性能機械中經常所期望的。在其中將填充金屬在進入焊池之前預熱到其熔點附近溫度的「熱絲TTAW在許多場合下經常是優選的，因為其通常比「冷絲TTAW更迅速和高效，「冷絲TTAW 完全依靠來自電弧的熱來熔化填充金屬。已知GTAW方法(尤其是熱絲GTAW法)的缺陷是它們局限於在平坦位置上焊接。 也就是說，此類方法涉及焊條向下面對焊接接頭情況下的焊接。因而，在汽輪機轉子和類似設備的製造中使用GTAW尤其是熱絲GTAW時，通常需要對大部件進行操作和移動以適當定向焊接接頭。此類操作和移動必然降低效率，並增加製造設備的費用。

發明內容
一個實施例中，本發明提供了一種在兩個部件間形成焊接接頭的方法，該方法包括對齊第一和第二部件，從而在它們之間形成接頭，該接頭包括第一部件的凸起，和第二部件的凹陷，其中凸起和凹陷具有互補的形狀；定向第一和第二部件，使得各部件的主軸線垂直定向；和在基本水平定向的根部開口處焊接第一和第二部件，該基本水平定向的根部開口沿接頭定位。另一實施例中，本發明提供了一種在設備的兩種金屬部件間形成焊接接頭的方法，該方法包括獲得第一部件，其具有基本圓柱形的主體，沿主體的表面的匹配面，該匹配面包括凸起，以及遠離匹配面並朝向主體延伸的凹面；獲得第二部件，其具有基本圓柱形的主體，沿主體的表面的匹配面，匹配面包括與第一部件的匹配面的凸起的形狀互補的凹陷，以及遠離匹配面並朝向主體延伸的凹面；對齊第一部件和第二部件，使得第一部件的匹配面的凸起位於第二部件的匹配面的凹陷內，並且第一部件和第二部件的凹面沿第一部件和第二部件的基本圓柱形的主體的相鄰表面形成水平定向的根部開口 ；以及跨越水平定向的根部開口將第一部件焊接至第二部件。在又另一個實施例中，本發明提供了一種渦輪機轉子，包括第一部件，其具有 第一主體，沿第一主體的表面的第一匹配面，第一匹配面包括凸起，和遠離第一匹配面並朝向第一主體延伸的第一凹面；第二部件，其具有第二主體，沿第二主體的表面的第二匹配面，第二匹配面包括與第一匹配面的凸起的形狀互補的凹陷，和遠離第二匹配面並朝向第二主體延伸的凹面；在第一部件和第二部件之間由第一凹面和第二凹面形成的根部開口 ； 根部開口內的接頭，接頭由凸起和凹陷形成，並偏移根部開口的中心。


結合描繪本發明的各個實施例的附圖，從下面的詳細描述中，本發明的這些和其他特徵將會更容易理解，其中圖1顯示了根據本發明的一個實施例的適於形成接頭結構設備的部件的側橫截視圖；圖2顯示了圖1的部件對齊以形成接頭；圖3顯示了圖2的部件的較寬的橫截正面圖；圖4顯示了根據本發明的一個實施例的正在被焊接的圖3的部件；圖5顯示了根據本發明的另一個實施例的對齊的部件的橫截正面圖；以及圖6顯示了根據本發明的一個實施例的方法的流程圖。應當指出本發明的附圖未按照比例。附圖僅意圖描繪本發明的典型方面，並且因此不應當認為限制本發明的範圍。附圖中，相似的數字代表附圖間相似的元件。零部件列表100，400 第一部件110，410 主體112，412 外表面114，414 內表面120匹配面122 凸起130 凹面140，144 縱軸線142，144，442，444 徑向軸線150，450 孔洞200，500 第二部件210，510 主體212，512 外表面214，514 內表面220匹配面222 凹陷230 凹面240，540 縱軸線M2，M4，M2J44 徑向軸線250，550 孔洞300，600 接頭310，610 根部開口320水平面330 偏移700，702 焊頭710，712 保護氣體
720填充焊條730 焊接740 焊縫
具體實施例方式現在參考附圖，圖1顯示了汽輪機轉子或類似設備的第一部件100和第二部件200 的橫截側視圖。第一部件100和第二部件100的每一個均包括主體110、210，匹配面120、 220以及凹面130、230，凹面130,230分別遠離匹配面120,220並朝向主體110,210延伸。 匹配面120、220基本互補地成形，使得它們可形成接頭結構。如圖1中所示，第一部件100 的匹配面120包括從匹配面120向外延伸的凸起122，而第二部件200的匹配面220包括凸起122可位於其中的凹陷222。圖2顯示了根據本發明的一個實施例處於結合位置並形成接頭300的第一部件 100和第二部件200。由如圖2中可見，第一部件100的凹面130和第二部件200的凹面230 形成根部開口 310 (即，部件之間的開口，沿其可形成焊縫)。第一部件100和第二部件200 最終將通過焊接在根部開口 310處而接合。因而，根部開口 310通過其成角度的形狀而便於進入根部開口 310的填充金屬的沉積。也就是說，至少一部分凹面130在水平面320上方形成角度α，且至少一部分凹面230在水平面320下方形成角度β。角度α和角度β 的每一個均獨立地處於約0°到約10°之間。在一些實施例中，每個角度均處於約3°到約7°之間。在一些實施例中，每個角度為約5°。如本領域技術人員將會理解的，並且如以下將更詳細的描述和顯示的，水平面320將處於沿著或平行於第一部件100和第二部件 200的徑向軸線或徑向平面的位置。如圖2中可見，接頭300從根部開口 310的中心偏移330，水平面320位於穿過該中心處。也就是，第一部件100和第二部件200在根部開口 310內相會的點從根部開口 310 的中心偏移。圖2中，偏移300向具有凸起122的部件即第一部件100移位，儘管這並不是必需的。圖3顯示了圖2的第一部件100和第二部件200較寬的正面圖。如圖3中可見，第一部件100和第二部件200可分別包括具有孔洞150、250、縱軸線140、240以及多個徑向軸線142、144和M2J44的基本柱狀或管狀的主體110、210。儘管主體110、210以上描述為基本柱狀或管狀，但應當理解，圖3的橫截圖只顯示了每個主體的弓形段。根部開口 310分別沿第一部件100和第二部件200的外表面112、212開口。第一部件100和第二部件200 各自還分別包括沿它們的孔洞150、250形成的內表面114、214。圖4顯示了焊接期間就位的第一部件100和第二部件200，其中它們的縱軸線 140、240定向為基本垂直。因此，它們的徑向軸線142、144和對2、對4以及根部開口 310定向為基本水平。如上文指出的，已知的GTAW方法且特別是熱絲GTAW方法局限於在平坦位置上 (艮P，在根部開口 310向上的情況下)焊接。但如圖4中所示，本發明的實施例不僅允許在水平位置上焊接(即，在根部開口 310基本水平，而縱軸線140、240定向為基本垂直的情況下)，並且還允許使用多個焊頭700、702。也就是，焊頭700、702能夠沿根部開口 310在不同點處同時焊接730，且各焊頭700、702圍繞第一和第二部件100移動同時形成焊縫740。
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圖4中，焊頭700顯示沿接頭300進行焊接730，同時填充焊條720將填充金屬沉積到根部開口 310中。如本領域技術人員將會認識到的，保護氣體710、712保護焊接730 不受大氣源氣體如氧氣和氮氣影響。適當的保護氣體710、712包括但不限於氬氣、氦氣、氫氣及它們的混合物。沉積到根部開口 310中的填充金屬將會變化，當然取決於很多因素，包括部件的組成材料。適當的填充材料包括但不限於鎳合金、不鏽鋼、低合金鋼、高合金鋼及它們的混合物。至於部件本身的成分，本領域技術人員將會認識到，任何數量的材料都可以使用， 並將例如取決於部件或成品設備將進行的應用。因而，在一些情況下，部件本身可包括不同材料。例如情況經常是用在汽輪機轉子中的部件，此處不同溫度的蒸汽會接觸不同的部件。 在此情況下，可能期望基於其將會暴露於其下的蒸汽溫度選擇每個部件的材料，從而控制如熱膨脹之類的此類因素。部件材料的非限制性例子可獨立地由以下材料組成，包括例如不鏽鋼、碳鋼、鎳合金、低合金鋼、高合金鋼及它們的混合物。圖5顯示了本發明的另一個實施例，其中根部開口 610分別沿第一部件400和第二部件500的內表面414、514開口。也就是，根部開口 610分別在第一部件400和第二部件500的孔洞450、550內開口。因而，在根部開口 610內接頭600處形成焊縫，需要使焊接裝置穿入一個或兩個孔洞450、550。如圖4中所示的實施例中，可以使用多個含頭在基本水平的位置上焊接。圖6顯示了根據本發明的一個實施例的方法的流程圖。在A步驟，第一和第二部件100、200 (圖4)對齊，使得第一部件100的匹配面120 (圖1)上的凸起122 (圖1)位於第二部件200的匹配面220(圖1)上的凹陷222(圖1)內。從而根部開口 310(圖2)通過第一部件100和第二部件200的凹面130、230(圖幻形成。在B步驟，第一和第二部件100、 200定向成使得它們的縱軸線140、240分別基本垂直，而它們的徑向軸線142、144和M2、 244基本水平。如本領域技術人員將會認識到的，A步驟的對齊和B步驟的定向可以任意順序或同時執行。也就是，在本發明的一些實施例中，第一和第二部件100、200可首先相對彼此對齊且然後定向，使得它們的縱軸線和徑向軸線如上所述定向。在本發明的其他實施例中，第一和第二部件100、200可首先定向使得它們的縱軸線和徑向軸線如上所述定向，且然後相對於彼此對齊。而在本發明的又其它實施例中，第一部件和第二部件100、200可同時既對齊又定向。在C步驟，可選地將填充金屬引入根部開口 310。在此類情況下，在D步驟可以可選擇地將填充金屬加熱到其熔點附近的溫度(即，熱絲焊)。最後，在E步驟，第一和第二部件100、200沿根部開口 310被焊接730(圖4)。如上文所指出的，E步驟的焊接可在基本水平的方向上進行，並且可包括GTAW方法，還可包括用多個焊頭700、702(圖4)同時焊接。本文使用的術語用於僅描述特定實施例的目的，而並非意圖為發明公開的限制。 如本文所用，單數形式「一」、「一個」和「該」意圖包括複數形式，除非上下文清楚地指出其他含義。還應當理解，術語「包括」和/或「包含」當用在本說明書中時，特指所述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、 元件、部件和/或它們的組合的存在或添加。
此書面說明書用實例公開本發明，包括最佳模式，還能使本領域技術人員能夠實踐本發明，包括製造或使用任何設備或系統，並執行任何相關或結合的方法。本發明的可授予專利範圍由權利要求書限定，且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果此類其它實例具有並非不同於權利要求書的字面語言的結構性元件，或者如果它們包括與權利要求書的字面語言的無實質性差別的等價結構元件，則這些其它實例意在處於權利要求書的範圍內。
權利要求
1.一種在兩個部件之間形成焊接接頭的方法，所述方法包括對齊第一部件(100)和第二部件O00)以在二者之間形成接頭(300)，所述接頭(300) 包括所述第一部件(100)的凸起(122)，和所述第二部件O00)的凹陷022)，其中，所述凸起(122)和凹陷(222)具有互補的形狀；定向所述第一部件(100)和所述第二部件O00)，使得每個部件的主軸線(140J40)垂直地定向；和在基本水平定向的根部開口(310)處焊接(730)所述第一部件(100)和所述第二部件 000)，所述基本水平定向的根部開口(310)沿所述接頭(300)定位。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述焊接(730)包括沿所述基本水平定向的根部開口(310)進行焊接。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述焊接(730)包括使用多個焊頭(700、 702)同時進行焊接。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述焊接包括鎢極惰性氣體保護焊 (GTAff)。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述GTAW使用保護氣體(710、712)，所述保護氣體(710、712)選自包括如下氣體的組氬氣、氦氣、氫氣及它們的混合物。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述焊接(730)還包括將填充金屬(720)引入水平定向的根部開口。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述填充金屬(720)選自包括如下金屬的組鎳合金、不鏽鋼、低合金鋼、高合金鋼及它們的混合物。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述焊接(730)還包括將所述填充金屬(720)加熱到所述填充金屬(720)的熔點附近的溫度。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一部件(100)包括第一材料，而所述第二部件(200)包括不同於所述第一材料的第二材料。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一部件(100)和所述第二部件 (200)的每一個均獨立地包括選自包括以下材料的組的至少一種材料不鏽鋼、碳鋼、鎳合金、低合金鋼、高合金鋼及它們的混合物。
全文摘要
本發明涉及水平焊接方法及其接頭結構，具體而言，本發明的實施例一般地涉及焊接方法，更特別地，涉及用於在水平位置上焊接的方法，和適用於此類方法的接頭結構。在一個實施例中，本發明提供一種在兩個部件之間形成焊接接頭的方法，該方法包括對齊第一和第二部件(100、200)以在二者之間形成接頭(300)，該接頭(300)包括第一部件(100)的凸起(122)，和第二部件(200)的凹陷(222)，其中凸起(122)和凹陷(222)具有互補的形狀；定向第一和第二部件(100、200)，使得每個部件的主軸線(140、240)基本垂直地定向；以及在基本水平定向的根部開口(310)處焊接(730)第一和第二部件(100、200)，基本水平定向的根部開口(310)沿接頭(300)定位。
文檔編號B23K9/167GK102189349SQ20111007803
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月12日 優先權日2010年2月12日
發明者A·J·西爾維亞, J·T·薩爾金, L·B·斯皮格爾, R·C·施萬特, S·加內什, W·E·巴布科克 申請人:通用電氣公司