權(quán)利要求

1.燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、沿待修補工件的裂紋開設(shè)敞口型槽孔，并對槽孔進(jìn)行打磨和清洗； 步驟2、對工件進(jìn)行固定并在待焊區(qū)域的背面通保護(hù)氣； 步驟3、調(diào)整激光-電弧復(fù)合焊接頭使其形成的激光光斑位于槽孔中心位置，然后設(shè)置焊接參數(shù)； 步驟4、在焊接過程中，控制激光光斑的擺動頻率和擺動直徑，使光斑路徑呈螺旋型的焊接路徑，同時使電弧填絲與激光光斑耦合對焊絲熔融增加熔寬，沿槽孔方向進(jìn)行單面單道填絲焊雙面成形，完成待工件的裂紋損傷修補。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于，步驟1所述敞口型槽孔為V型或I型槽孔。 

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于，所述槽孔的坡度為60°～90°，槽孔的底面間隙最大為3mm。 

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于，步驟1中所述打磨和清洗的方法如下： 采用砂紙將裂紋及其附近部件表面區(qū)域打磨出金屬光澤，然后在丙酮和稀鹽酸中進(jìn)行超聲清洗。 

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于，步驟3中所述焊接參數(shù)如下：激光功率為2000～5000A，電弧電流為80A～180A，焊速為10～30mm/s，絲速為20～120mm/s，焊槍的前傾角60～90°。 

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于，步驟4中所述擺動直徑為0.3～3mm，擺動頻率為10～300HZ。 

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于，步驟4中激光光斑的擺動位置位于槽孔底面間隙±0.5mm范圍內(nèi)。 

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于，所述修補工件的材質(zhì)為Hastelloy X、HS-188、Nimonic263、SS309、RA333、Tomilloy、FSX414、GTD111、GTD222、MGA1400、MAR-M200Hf或MAR-M002。 

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于，所述修補工件的厚度為3～12mm。

說明書

燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于自動焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法。

背景技術(shù)

燃?xì)廨啓C火焰筒、過渡段、透平靜葉片以及護(hù)環(huán)等高溫部件作為燃?xì)廨啓C的核心部件，是工作環(huán)境最惡劣、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、故障最多、更換費用最高的部件。在長時間高溫、高應(yīng)力和頻繁啟停條件下服役，高溫部件不可避免地產(chǎn)生不同程度的裂紋損傷(裂紋間隙高達(dá)3mm)，嚴(yán)重影響其服役安全性。為了減少高溫部件的報廢率，保證燃?xì)廨啓C發(fā)電設(shè)備經(jīng)濟、安全運行，燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷的修補方法已受到國內(nèi)外研究者們的關(guān)注。

激光焊已成為F級燃?xì)廨啓C熱通道部件的主要熔焊修復(fù)方法。然而，激光焊對裝配間隙要求較傳統(tǒng)熔焊工藝更為苛刻，一般要求間隙控制在板厚的10～15％以內(nèi)，最大間隙不能超過0.3mm，且單一激光束易致焊縫產(chǎn)生氣孔缺陷，提供工件報廢率，因此限制其在高溫部件大間隙裂紋焊接修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)高溫部件基體厚度大范圍寬、裂紋間隙大等特點，探索結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性更佳、光斑直徑更大的激光焊接頭，提高焊接效率、降低修復(fù)成本，是未來熱通道部件焊接修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中，本發(fā)明提供了一種燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，有效解決單一激光束焊接頭的裂紋間隙適應(yīng)性差和氣孔率高的難題。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，包括以下步驟：

步驟1、沿待修補工件的裂紋開設(shè)敞口型槽孔，并對槽孔進(jìn)行打磨和清洗；

步驟2、對工件進(jìn)行固定并在待焊區(qū)域的背面通保護(hù)氣；

步驟3、調(diào)整激光-電弧復(fù)合焊接頭使其形成的激光光斑位于槽孔中心位置，然后設(shè)置焊接參數(shù)；

步驟4、在焊接過程中，控制激光光斑的擺動頻率和擺動直徑，使光斑路徑呈螺旋型的焊接路徑，同時使電弧填絲與激光光斑耦合對焊絲熔融增加熔寬，沿槽孔方向進(jìn)行單面單道填絲焊雙面成形，完成待工件的裂紋損傷修補。

優(yōu)選的，步驟1所述敞口型槽孔為V型或I型槽孔。

優(yōu)選的，所述槽孔的坡度為60°～90°，槽孔的底面間隙最大為3mm。

優(yōu)選的，步驟1中所述打磨和清洗的方法如下：

采用砂紙將裂紋及其附近部件表面區(qū)域打磨出金屬光澤，然后在丙酮和稀鹽酸中進(jìn)行超聲清洗。

優(yōu)選的，步驟3中所述焊接參數(shù)如下：激光功率為2000～5000A，電弧電流為80A～180A，焊速為10～30mm/s，絲速為20～120mm/s，焊槍的前傾角60～90°。

優(yōu)選的，步驟4中所述擺動直徑為0.3～3mm，擺動頻率為10～300HZ。

優(yōu)選的，步驟4中激光光斑的擺動位置位于槽孔底面間隙±0.5mm范圍內(nèi)。

優(yōu)選的，所述修補工件的材質(zhì)為Hastelloy X、HS-188、Nimonic263、SS309、RA333、Tomilloy、FSX414、GTD111、GTD222、MGA1400、MAR-M200Hf或MAR-M002。

優(yōu)選的，所述修補工件的厚度為3～12mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明一種燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，該方法結(jié)合了激光攪拌焊接頭和電弧復(fù)合填絲，通過控制激光的輸出路徑使其與電弧填絲耦合，在焊接頭移動的情況下，激光攪拌焊接頭的輸出光斑路徑呈螺旋型，激光光束對熔池有攪拌作用，使得熔池更加寬大且填充飽滿，達(dá)到排除焊縫中氣孔的目的，同時，光斑直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)單激光焊接頭的輸出光斑直徑，達(dá)到放大激光光斑的目的，克服傳統(tǒng)單激光束焊接頭對裂紋間隙的適應(yīng)性差的不足。另一方面，結(jié)合電弧填絲的優(yōu)勢，焊絲不斷送入熔池，對裂紋焊縫起到很好的填充作用，同時，電弧的輸入可進(jìn)一步增加熔寬，增加該焊接方法對裂紋間隙的適應(yīng)性，最終獲得上寬下窄、正面和背面微凸、填充飽滿、無氣孔缺陷的焊縫。該激光焊修補方法更加適用于中厚板部件的更大間隙裂紋的無氣孔缺陷修補，克服了高溫合金傳統(tǒng)單一激光填絲焊存在裂紋間隙適應(yīng)性差、氣孔率高等突出問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷的激光攪拌-電弧復(fù)合焊接修復(fù)流程；

圖2本發(fā)明一種燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷的激光攪拌-電弧復(fù)合焊接頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3本發(fā)明激光攪拌-電弧復(fù)合焊接頭和傳統(tǒng)單激光焊接頭焊接修復(fù)透平靜葉片材料裂紋損傷后的焊縫形貌。

圖中：1—擺動激光焊接頭；101—準(zhǔn)直鏡片；102—Y軸擺動鏡片；103—X軸擺動鏡片；104—Y軸驅(qū)動電機；105—X軸驅(qū)動電機；106—聚焦鏡片；2—電弧焊槍；3—焊槍夾持環(huán)；4—送絲機構(gòu)；5—弧焊電源；6—光斑和熔池區(qū)域。

具體實施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分的實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

需要說明的是，本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語“第一”、“第二”等是用于區(qū)別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應(yīng)該理解這樣使用的數(shù)據(jù)在適當(dāng)情況下可以互換，以便這里描述的本發(fā)明的實施例能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序?qū)嵤４送?，術(shù)語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或?qū)τ谶@些過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它步驟或單元。

參閱圖1-3，一種燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，包括以下步驟：

步驟1、沿待修補工件的裂紋開設(shè)坡口槽孔。

具體的，采用機械打磨的方法將工件裂紋的截面修正為V型或I型槽孔，所述槽孔的坡度為60°～90°，槽孔的底面間隙最大為3mm，然后在用砂紙將裂紋及其附近部件表面區(qū)域打磨出金屬光澤，最后在丙酮和稀鹽酸中進(jìn)行超聲清洗。

步驟2：固定待焊接部件，并在待焊區(qū)域的背面通保護(hù)氣。

具體的，用焊接工裝夾具固定待修補工件，確保待修補工件準(zhǔn)確定位并夾緊，防止待修補工件在焊接過程中發(fā)生變形。

步驟3、調(diào)整激光-電弧復(fù)合焊接頭使其形成的激光光斑位于槽孔中心位置，然后設(shè)置焊接參數(shù)。

焊接參數(shù)如下：激光功率為2000～5000A，電弧電流為80A～180A，焊速為10～30mm/s，絲速為20～120mm/s，焊槍的前傾角60～90°。

步驟4、在焊接過程中，控制激光光斑的擺動頻率和擺動弧度，使光斑路徑呈螺旋型的焊接路徑，同時使電弧填絲與激光光斑耦合，沿槽孔方向進(jìn)行單面單道填絲焊雙面成形，完成待修補工件的裂紋損傷修補。

所述擺動弧度為0～3mm，擺動頻率為10～300HZ。

在一定裂紋間隙條件下，激光光斑的擺動弧度處于槽孔底面間隙±0.5mm范圍內(nèi)，選擇合適的激光功率、電弧電流、擺動頻率可減少焊接的熱輸入。

工件的材質(zhì)為Hastelloy X、HS-188、Nimonic263、SS309、RA333、Tomilloy、FSX414、GTD111、GTD222、MGA1400、MAR-M200Hf和MAR-M002等，厚度為3～12mm。

工件為燃?xì)廨啓C高溫部件，包含火焰筒、過渡段、燃料噴嘴以及透平靜葉片等。

本發(fā)明一種燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，該方法結(jié)合了激光攪拌焊接頭和電弧復(fù)合填絲，通過控制激光的輸出路徑使其與電弧填絲耦合，在焊接頭移動的情況下，激光攪拌焊接頭的輸出光斑路徑呈螺旋型，激光光束對熔池有攪拌作用，使得熔池更加寬大且填充飽滿，達(dá)到排除焊縫中氣孔的目的，同時，光斑直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)單激光焊接頭的輸出光斑直徑，達(dá)到放大激光光斑的目的，克服傳統(tǒng)單激光束焊接頭對裂紋間隙的適應(yīng)性差的不足。另一方面，結(jié)合電弧填絲的優(yōu)勢，焊絲不斷送入熔池，對裂紋焊縫起到很好的填充作用，同時，電弧的輸入可進(jìn)一步增加熔寬，增加該焊接方法對裂紋間隙的適應(yīng)性，最終獲得上寬下窄、正面和背面微凸、填充飽滿、無氣孔缺陷的焊縫。該激光焊修補方法更加適用于中厚板部件的更大間隙裂紋的無氣孔缺陷修補，克服了高溫合金傳統(tǒng)單一激光填絲焊存在裂紋間隙適應(yīng)性差、氣孔率高等突出問題。以服役透平靜葉片材料為例，在裂紋間隙為3.0mm時，運用本發(fā)明的焊接修補方法，獲得的透平靜葉片大間隙裂紋焊縫正面和背面均微凸飽滿，無氣孔缺陷。

該焊接方法尤其適合現(xiàn)役E級、F級甚至H級燃?xì)廨啓C高溫部件的裂紋焊接修補，用于在役重型燃?xì)廨啓C火焰筒、過渡段、透平靜葉片等主要燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷的焊接修補，具有極強的通用性。對于高溫部件裂紋損傷是決定部件是否可繼續(xù)服役的主要考慮因素，因此該發(fā)明用于高溫部件的修補，修補后還可繼續(xù)服役至下一個檢修周期，從而減少部件的報廢率并帶來巨大的經(jīng)濟效益，具有廣泛的應(yīng)用前景。其主要程序包含坡口加工、固定部件及激光焊，不同高溫部件的主要焊接修補過程基本相同，不僅操作簡單、方法可靠、適用性和通用性強，且便于流程化操作。

參閱圖2，步驟3中所述激光-電弧復(fù)合焊接頭包括擺動激光焊接頭1，以及電弧焊槍2和焊槍夾持環(huán)3；擺動激光焊接頭1內(nèi)部設(shè)有準(zhǔn)直鏡片101、X軸反射鏡片103、Y軸反射鏡片102和聚焦鏡片106，準(zhǔn)直鏡片101位于激光的輸出光路上，X軸反射鏡片103位于準(zhǔn)直鏡片101的反射光路上，Y軸反射鏡片102位于X軸反射鏡片103的反射光路上，聚焦鏡片106位于X軸反射鏡片103的反射光路上，自上而下依次組成了激光焊接頭的激光傳輸光路；X軸反射鏡片103和Y軸反射鏡片102分別通過X軸驅(qū)動電機105和Y軸驅(qū)動電機104實現(xiàn)X軸鏡片和Y軸鏡片的擺動，以形成所需光斑路徑，達(dá)到放大激光光斑、攪拌熔池的效果；電弧焊槍與弧焊電源及送絲機構(gòu)相連，擺動激光焊接頭通過焊槍夾持環(huán)與焊槍相連，電弧焊槍送出的焊絲201始終保持在熔池區(qū)域6。

激光-電弧復(fù)合焊接頭通過驅(qū)動電機實現(xiàn)激光光束沿X軸和Y軸的擺動，焊槍夾持環(huán)與焊槍相連，焊槍輸出的攪拌激光束與電弧填絲耦合使得熔池更加寬大且填充飽滿，使得該激光焊修補方法更加適用于中厚板部件的更大間隙裂紋的無氣孔缺陷修補，克服了高溫合金傳統(tǒng)單一激光填絲焊存在裂紋間隙適應(yīng)性差、氣孔率高等突出問題。

實施例1

在6mm厚的透平靜葉片所用FSX414高溫合金試板材料上開V型槽孔，槽孔的底面間隙為3.0mm；用砂紙將V型槽孔及其附近材料表面區(qū)域打磨出金屬光澤，后在丙酮和稀鹽酸中超聲清洗，去除臟物、油污及灰塵等；用帶冷卻系統(tǒng)的平板工裝固定好試板，背面通保護(hù)氣，氣流量為25L/min；擺動弧度為2.5mm，擺動頻率為150HZ，激光功率為3500A，電弧電流為145A，焊速為12mm/s，絲速為70mm/s，焊槍的前傾角為60°。焊后得到上寬約3.8mm、下寬約1.3mm、成型良好、填充飽滿、無氣孔缺陷的焊縫。

圖3對比了采用本發(fā)明激光-電弧復(fù)合焊接頭和傳統(tǒng)單激光焊接頭焊接修復(fù)透平靜葉片裂紋損傷后的效果，圖3a為使用激光攪拌-電弧復(fù)合焊接頭所得焊縫形貌，圖3b為傳統(tǒng)單一激光焊焊縫形貌?？煽闯?，激光攪拌-電弧復(fù)合焊接頭所得焊縫截面形狀均呈Y型，但激光攪拌-電弧復(fù)合焊接頭所得焊縫更寬大，激光攪拌-電弧復(fù)合焊接頭所得焊縫正面寬是傳統(tǒng)單激光焊接頭所得焊縫正面寬的約8～10倍，這歸因于激光攪拌-電弧復(fù)合焊接頭的放大激光光斑、攪拌熔池、以及電弧填絲和激光耦合增大熔池寬度等的作用。

本發(fā)明一種燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷激光-電弧復(fù)合焊接方法，結(jié)合了新型激光攪拌焊接頭和電弧復(fù)合填絲的優(yōu)勢，既考慮了不同燃?xì)廨啓C部件的厚度各異和裂紋間隙尺寸，均可通過開坡口、激光攪拌焊接頭和電弧填絲的方法，最終形成焊縫成型良好，外形飽滿、性能滿足要求的大T型釘頭狀焊接接頭，具有極強的適用性。同時，本發(fā)明所述的焊接修補方法不僅操作簡單、方法可靠、適用性和通用性強，且便于流程化操作，能夠滿足燃?xì)廨啓C高溫部件裂紋損傷修補要求。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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