CN104105565A - 利用脉冲电流和脉冲填充焊丝的mig法对铝制金属部件进行焊接和沉积的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用MIG焊接装置在涡轮发动机的铝制金属部件上进行沉积的方法，所述MIG焊接装置包括脉冲电流发生器和填充金属丝脉冲进料器，所述方法的特征在于，使用填充金属丝实现所述沉积，该填充金属丝的成分的性质与待进行沉积的所述铝合金的成分的性质相同，并且所述金属丝脉冲进料器以及在所述涡轮发动机的金属部件上进行沉积的速度适于实现没有热裂缝的沉积。

Description

利用脉冲电流和脉冲填充焊丝的MIG法对铝制金属部件进行焊接和沉积的方法

本发明涉及一种通过MIG（熔化极惰性气体保护焊）法在由铝制成的金属部件上实现硬质表面沉积的方法。

本发明尤其有利地适用于涡轮发动机的铝金属部件的再构造的领域，并且适用于通过填充金属的硬质表面沉积实施铝金属部件的焊接的领域。

更具体地，根据本发明的硬质表面沉积法优选地用于通过材料的硬质表面沉积来维修涡轮发动机的保持壳体的安装法兰，以产生一定量的不连续的材料。

当前使用锻造、铸造或两个部件的焊接，会产生一定量的不连续的材料。然而，这些方法相对昂贵，并且不适合产生少量的不连接的材料或者不适合具有复杂几何结构的部件。

同样已知的是TIG焊（惰性气体钨极保护焊）。这是一种在惰性气体的氛围下使用不熔性电极进行的电弧焊接的方法。这种技术可以与填充金属一起使用，尤其适于金属部件的构造或硬质表面沉积。

然而，由于铝是一种难以焊接并且具有高热传导性的材料，因此在使用TIG焊进行铝金属部件（例如，保持壳体安装法兰）的构造或硬质表面沉积时，热量会对周围区域造成严重影响，尤其是在进行保持壳体安装法兰的维修时会对壳体的蒙皮（skin）造成影响，导致被影响部分的机械特性显著下降。由于降低了维修的金属部件的机械特性，因此这种TIG硬质表面沉积方法是不被接受的并且具有许多缺点。从而，在维修保持壳体的安装法兰时，由于通过使用TIG方法而使壳体的蒙皮的机械特性下降，从而导致保持壳体保持预定物体（projected objects）的能力下降。

因此，已经提出通过利用脉冲电流和焊丝的MIG法（pulsed current and wire MIGmethod）构造金属部件的方法，该方法能够用于产生具有较大横截面（尤其是大于25mm²）的填充金属珠（beads of filler metal），同时将热影响区降至最小，并因此将部件脆化降至最低。

这种利用脉冲电流和焊丝的MIG法是对被称作CMT（冷金属过渡）的焊接方法的改进，专利申请FR2931714中更详细地描述了脉冲电流和焊丝MIG法。

众所周知，铝合金的焊接可能会引起热裂纹现象。当熔区处于半固态时，这种裂纹典型地出现在熔区的凝固端。这种裂纹由因部件的冷却和夹紧而引起的应力所致。由于这种现象与填充金属的成分直接相关，因此可以知道使用具有特定成分的填充金属，该特定成分与待进行硬质表面沉积的部件的成分不同。

因此，例如，为了在由具有成分6061的铝合金制成的金属部件上实施硬质表面沉积，通常会使用具有成分4043（或者再一次采用成分5356）的铝合金制成的金属。

然而，由于填充金属的合金成分的机械特性比待维修的部件的合金成分的机械特性差，因此使用具有不同于待维修部件的特定成分的填充金属不会导致与原部件（例如由6061铝合金制成的）相同的机械特性。

因此，相对于原部件，进行硬质表面沉积的部件具有减小的强度和使用寿命。

由此而论，本发明的目的在于提供一种利用脉冲电流和焊丝的MIG法在铝金属部件上进行硬质表面沉积的方法，该方法改善了维修部件的机械特性，并且向维修部件提供与原部件的机械特性相当的机械特性。

为此，本发明提出一种使用MIG焊接装置在涡轮发动机的铝金属部件上进行硬质表面沉积的方法，所述MIG焊接装置包括脉冲电流发生器和填充金属丝脉冲进料器（pulsed filler metal wire feed），所述方法的特征在于，使用填充金属丝实现所述硬质表面沉积，该填充金属丝的成分与待进行硬质表面沉积的所述部件的铝合金的成分具有相同的性质，并且所述金属丝脉冲进料器和所述涡轮发动机的金属部件的硬质表面沉积的速度适于实现无热裂纹的硬质表面沉积。

因此，根据本发明的方法允许通过控制的硬质表面沉积参数在铝金属部件上实施同种类（homogeneous）的硬质表面沉积（即具有与基于铝的合金相同等级的填充金属），同时能够在消除热裂缝风险的工作范围内实施硬质表面沉积。

此外，通过完全可控的方法（例如MIG法），能够方便实现材料的同种类的硬质表面沉积条件的可重现性，并因此可重现地保证不出现热裂缝。

根据本发明的特定方法还具有能够沉积大量材料同时减小热影响区并因此降低部件脆化的优点。因此，根据本发明的方法可以有利地用于厚度较小的部件的硬质表面沉积或焊接。

有利地，根据本发明的硬质表面沉积方法增加了在沉积之后的热处理步骤，以提高进行硬质表面沉积的部件的机械特性。通过热处理，使得进行硬质表面沉积的部件具有与原部件基本相同的机械特性。

热循环的目的在于固溶沉淀物（固溶退火），然后以同种类且控制的方式（沉淀回火（precipitation tempering））使沉淀物再沉淀，以提高进行硬质表面沉积的部件的机械强度。

根据本发明的硬质表面沉积既用于在基体（即原部件）上构造一定量的材料，又用于使用与两个原部件的等级相同的填充材料焊接两部件。

根据本发明的使用包括脉冲电流发生器和填充金属丝脉冲进料器的MIG焊接装置在涡轮发动机的铝金属部件上进行硬质表面沉积的方法可以包括下列一个或多个特征，单独考虑或者根据所有可能的技术结合来考虑：

所述方法包括热处理步骤；

对于由6061级铝合金制成的金属部件的再构造，硬质表面沉积的速度在50cm/min到120cm/min之间；

对于使用填充金属的硬质表面沉积进行的由6061级铝合金制成的机械部件的焊接，焊接速度在40cm/min到100cm/min之间；

所述方法包括对沉积的金属进行热处理，以使已进行硬质表面沉积的部件机械特性最优化的步骤；

所述热处理包括：

第一固溶子步骤；

第二快速淬火子步骤；

第三回火子步骤。

本发明的另一主题是一种涡轮发动机保持壳体的维修方法，所述保持壳体包括至少一个待维修的安装法兰，所述维修方法依次包括：

刮削待维修的安装法兰的步骤；

通过根据本发明的硬质表面沉积方法进行所述安装法兰的再构造的步骤；

加工所述沉积材料以获得所述安装法兰的最终几何结构的步骤。

通过根据本发明的方法，使用通过MIG焊接进行的材料再构造的方法能够简单、快捷地维修涡轮发动机的转子的保持壳体，同时保证机械特性与原壳体的机械特性相同；所述方法从壳体法兰的刮削表面再构造法兰。

因此，通过使用与原部件相同成分的填充金属，使得这种方法提供一种真正的修复涡轮发动机保持壳体的方法，并且在维修后能够长时间保证它们的包容性（containment ability），以使得该包容性相当于原保持壳体的包容性。

这意味着使用通过MIG焊接进行的材料再构造的方法除了相对于传统的电弧焊方法减小了热作用区域（HAZ）三倍之外，还允许实施保持壳体安装法兰的再构造，而不会对壳体的蒙皮的强度造成不利地影响，并且不会影响蒙皮的厚度，该厚度在设计用于容纳的壳体的过程中被保证。

这种方法还能够避免更换保持壳体的费用。

通过以下参考附图以非限制性的示例给出的本发明的描述，本发明的其它特征和优点将更加清楚，在附图中：

图1是飞机涡轮发动机的示意图；

图2是涡轮发动机的需要修理的保持壳体的局部剖视图；

图3是显示通过根据本发明的硬质表面沉积法的实施例修理涡轮发动机的保持壳体的主要步骤的概览图表；

图4是处于图3显示的所述方法的第一步骤中的用于涡轮发动机的保持壳体的局部剖视图；

图5是处于图3显示的所述方法的第三步骤中的用于涡轮发动机的保持壳体的局部剖视图；

图6是显示用于通过根据本发明的硬质表面沉积方法实施材料的硬质表面沉积的焊接参数的实施例的图表；

图7是显示用于通过本发明的硬质表面沉积方法使用填充金属实施焊接的焊接参数的实施例的图表。

除另有说明外，在全部的附图中，相同的元件采用相同的附图标记。

根据本发明的硬质表面沉积法尤其有利地适用于维修涡轮发动机风扇的保持壳体法兰的领域。

因此，以下将描述根据本发明的硬质表面沉积法的运用于维修涡轮发动机的保持壳体法兰的实施例。

图1是涡轮发动机的高度示意图，该涡轮发动机从气流流动的方向的上游到下游包括设置在涡轮发动机100的进口的风扇1、压缩机2、燃烧室3、高压涡轮4以及低压涡轮5。风扇1由旋转轴7构成，多级叶片6安装在该旋转轴7上。

涡轮发动机100包括保持壳体300，该保持壳体300周向地环绕风扇1，其中，保持壳体300适用于容纳在叶片6旋转的过程中由离心力径向抛出的任何杂质。这意味着在涡轮发动机100的运行过程中，与涡轮发动机100无关的材料（例如冰）例如可以由风扇1吸收，然后在旋转离心力的作用下被径向地抛出。

图2中更具体地显示保持壳体300。

保持壳体300的内表面320限定进入涡轮发动机100的气流310。保持壳体300包括位于其端部的外法兰340，该外法兰340允许保持壳体300安装并连接至涡轮发动机100的其它元件。在位于壳体300的端部的端法兰340之间，壳体300具有变化的厚度，并且中间部的厚度大于两端部的厚度。壳体300的蒙皮厚度决定壳体300的包容性。通常，保持壳体由铝合金（例如6061型铝合金）制成。

保持壳体300还包括位于端法兰340之间的多级外部中间法兰330。中间法兰330同样大致以基本径向的方式分布在壳体300的外周缘上，并且允许安装多种装置或装置支撑件，例如管件、吊带等。

在涡轮发动机的有效期内，多种装备支撑件可能轻微松脱，并且导致中间法兰330的安装孔332的过早磨损和/或成椭圆形。当损坏区域太大时，法兰330不再执行它们的功能，并且必须对它们进行维修。

在本说明书中，中间法兰330指代法兰或安装法兰。

在于壳体上进行硬质表面沉积之前，必须准备待维修的法兰。

为此，图3中显示的方法200的第一步骤210为将磨损法兰330的部分刮削至不同的程度，其中待刮削的部分主要由法兰330的磨损状态和磨损伸延区域决定。

图4具体显示该步骤，在图4中，以示例的方式显示了待刮削的部分，例如通过将法兰330分为上部330a和下部330b的水平线334，其中，在该第一步骤中，加工磨损法兰330的上部330a。

方法200的第二步骤220包括准备法兰330的剩余部分的表面338，以便在该表面338上实施材料的硬质表面沉积。该表面准备步骤例如包括机械加工和/或使用例如酒精进行化学清洁。

根据本发明的方法200的第三步骤230包括通过利用脉冲电流和脉冲填充金属丝给料MIG（熔化极惰性气体保护）型电弧焊接方法经由材料（或填充金属）的大量的硬质表面沉积来对法兰330的上部330a进行再构造。图5具体地显示了维修方法200中的所述第三步骤230。实际上，图5显示进行材料沉积步骤之后的法兰330的剖视图。

材料的硬质表面沉积通过将具有较大横截面的金属材料（或填充金属）珠（bead）342重叠在法兰330的下部330b的表面338上来实现。道次（pass）的数量（即，待施加的材料珠342的数量）由需要的材料高度和限定的珠的宽度决定。

由于具有较大横截面的珠的形式的沉积的高效率，从而使所述MIG焊接方法允许构造或再构造元件的部分。硬质表面沉积珠的长度和宽度由操作者根据送丝速度确定。

使用与保持壳体的铝合金（即6061级铝合金）等级相同的铝合金等级的填充金属。

使用MIG焊接的硬质表面沉积方法使得该工序能够在比其他电弧焊方法的工作温度低的温度下进行。因此，根据本发明的方法有助于珠的快速冷却，并因此使得在6061铝合金的脆性温度范围（BRT）内的保持时间更短，该脆性温度范围在582℃到652℃之间。

用于根据本发明的方法的特定的热循环允许产生特定的微观结构，该微观结构比经历其它焊接方法的微观结构更精细，尤其在珠342的表面，因此，通过与以下描述的合适的参数一起使用，能够避免热裂缝现象。

根据本发明的一种优选实施方式，用于实施来自直径1.2mm的6061合金填充金属丝的材料（即，材料的重建）的硬质表面沉积的根据本发明的方法的参数的范围限定在图6显示的图表的灰色区域Z1中。

因此，沉积速度在50cm/min到120cm/min之间，例如，对于50cm/min的硬质表面沉积速度，送丝速度在4.5m/min到6.5m/min之间；对于120cm/min的硬质表面沉积速度，送丝速度在5.5m/min到8m/min之间。

根据本发明的另一种实施方式，根据本发明的方法的实施直径为1.2mm的6061合金的填充金属的焊接的参数范围限定在图7显示的灰色区域Z2中。

因此，焊接速度在40cm/min倒100cm/min之间，并且对于40cm/min的焊接速度，送丝速度在3m/min到5m/min之间；对于100cm/min的焊接速度，送丝速度在4.5m/min到8m/min之间。

这些参数范围以示例的方式给出，以用于具有给定等级、给定金属丝的直径以及给定环境温度的铝合金。应当理解的是，所描述的参数范围可以根据金属丝的直径、环境温度和使用的铝的等级微小地变化。

然而，仍然可能出现珠的多种尺寸的端部收缩。另一方面，收缩仅仅出现在硬质表面沉积区域中的珠的端部，该端部随后将被加工以获得安装法兰330的最终几何结构。

所述硬质表面沉积方法还包括可选择的第四热处理步骤240。例如，对于6061合金，所述热处理为国际分类中的T6型热处理，包括固溶（在530℃下进行20分钟），接着是快速淬火，然后是在175℃下8小时的回火。

因此，热处理允许焊接的的部件（即法兰）具有与原部件相同的机械特性。

已经主要针对应用为涡轮发动机保持壳体的法兰的硬质表面沉积描述了根据本发明的硬质表面沉积方法。然而，本发明不限于这种实施方式。例如，根据本发明的方法还可以用于通过使用填充金属实施保持壳体的多个部分的焊接。在本发明的这种特定的实施方式中，可以使用图7中显示的焊接参数的范围。

Claims (7)

1.使用MIG焊接装置在涡轮发动机的铝金属部件上进行硬质表面沉积的方法，所述MIG焊接装置包括脉冲电流发生器和填充金属丝脉冲进料器，所述方法的特征在于，使用填充金属丝实现所述硬质表面沉积，该填充金属丝的成分的性质与待进行硬质表面沉积的所述铝合金部件的成分的性质相同，并且所述金属丝脉冲进料器以及在所述涡轮发动机的金属部件上进行沉积的速度适于实现没有热裂缝的沉积。

2.根据权利要求1所述的硬质表面沉积方法，其特征在于，所述方法包括热处理步骤。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的硬质表面沉积方法，其特征在于，对于由6061级铝合金制成的金属部件（330）的再构造，沉积速度在50cm/min到120cm/min之间。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的硬质表面沉积方法，其特征在于，对于通过填充金属的硬质表面沉积进行的由6061级铝合金制成的机械部件的焊接，焊接速度在40cm/min到100cm/min之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的硬质表面沉积的方法，其特征在于，所述方法包括对已进行硬质表面沉积的金属进行热处理的步骤，以使已进行硬质表面沉积的部件机械特性最优化。

6.根据前述权利要求所述的硬质表面沉积方法，其特征在于，所述热处理包括：

第一子步骤：固溶；

第二子步骤：快速淬火；

第三子步骤：回火。

7.涡轮发动机（100）的保持壳体（300）的维修方法（200），所述保持壳体（300）包括至少一个待维修的安装法兰（330），所述方法（200）依次包括：

刮削待维修的安装法兰（330）的步骤（210）；

用权利要求1至6中任一项所述的硬质表面沉积方法对所述安装法兰（330）进行再构造的步骤；

加工所述沉积金属以获得所述安装法兰的最终几何形状的步骤。