提供焊后热处理的电子束焊接方法 【技术领域】
本发明一般涉及电子束焊接技术。更具体地说，本发明涉及一种电子束焊接方法(EBW)，在该方法中，两个电子束被投射同时进行焊接操作和焊接后处理以便减少焊接接缝的应变时效裂纹。
背景技术
高温铁、钴和镍基超级合金被广泛用于形成燃气涡轮发动机的热部分组件，包括燃烧器和涡轮叶轮(喷嘴)和动叶(叶片)。超级合金部件是优选的或必需通过焊接制造的情况是存在的。例如，具有复杂结构的部件，如涡轮中间框架，覆环支持环和蒸汽涡轮喷嘴组件(箱)可以通过铸焊在一起制造。用于焊接超级合金的各种技术都已经被开发。钨极惰性气体保护焊(TIG)和等离子体电弧焊(PTA)技术被广泛用于手工的焊接操作中。对于更多需求的应用，如高尺寸比的焊接接缝，已经开发了激光束和电子束(EB)。正如现有技术所知的那样，电子束焊接包含引导在接缝上的高能电子束，该接缝保持在真空中的物品之间。电子束焊接技术特别适合于生产具有高尺寸比的焊接接缝，因为电子束焊接产生任何束工艺最深的渗透，很容易得到大约十到五十很高的尺寸比。大约30到50KW容量的EB焊接机器对于此目地是通常的。
用于燃气涡轮热部分的部件要求在高温及高应力下经受长时期而不会过度地变形。由于这个原因，这些部件常常由镍基超级合金制成，该镍基超级合金通过γ′和γ″相的沉淀硬化实现很好的高温强度。这些相的沉淀常常显示出“C曲线”动力学。如图1所示，当沉淀过程的阶段是在温度与时间轴上表示时，结果曲线是C形且在沉淀最快的温度处显示一个“尖部”。对于成核及增长类型的过程如沉淀，C形特性是典型的。
能经受很高温度的超级合金常常被设计用来包括大体积的γ′细粒。对于这些合金，在C曲线尖部附近的温度处的沉淀是很迅速的。当焊接由沉淀硬化合金组成的部件时，γ′和γ″相在焊接中和焊接附近(在受热影响区域或HAZ中)溶解。当后来部件在C曲线尖部附近(“时效区域”)经历高温时，这些相可以再次析出沉淀。强化过程可以比残留应力的释放更快速地发生，该残留应力从焊接中保留。因此焊接和周围区域不能提供要求释放残留应力和焊接或HAZ裂纹的应变。这种现象就是所知的应变时效裂纹。
已经提出防止应变时效裂纹的一种方法是以一个足够快速的速率加热焊接结构和周围区域到特定的合金应力释放温度，以便强化相没有时间析出沉淀。在图1的时间—温度曲线上，这种方法遵循上部加热曲线，该曲线避免C曲线的尖部。然而，如图1中的下部曲线，当对于具有大热容量的相对较大部件使用传统的加热方法时，这个解决办法是不可行的。已经开发出焊后应力释放的可替代方法以便使易于产生应变时效裂纹的焊接合金方便。例如，焊接学院(TWI)，剑桥，大不列颠已经开发出一种专利工艺用于使EB焊接器的一个电子束的一部分转向，使两个独立的电子束能在一个部件上被独立引导。TWI工艺被特别地开发以便通过两个机构减少应变时效裂纹的发生率。第一个机构是用转向电子束来预热在焊接电子束之前待焊的区域。由于在这些温度处材料的较低强度和由于在熔融焊接和周围部分之间的较小的温度差异，减少了裂纹。第二个机构是用转向电子束加热围绕焊接电子束位置的部件。据说，这种技术影响热应变分布。当完成时，该热应变分布致使焊接处于压缩残留应变状态，同时在焊后热处理过程中减少了裂纹的发生率。
【发明内容】
本发明提供形成焊接组件的一种方法，其中电子束用于形成焊接结构，该焊接结构连接两个或更多物品形成组件。该方法特别是引导一个第二电子束在焊接束之后投射到焊接结构上，并以一种方式来减少在焊接结构中的应变时效裂纹。
本发明的电子束焊接方法一般包括将两个或更多物品放置在一起以便在其间限定至少一个接触表面界面。根据本发明的优选方面，物品由包括至少一个沉淀强化相的合金组成，如包含γ′和/或γ″沉淀的镍基超级合金。第一电子束沿界面行进以便形成将各物品连接在一起的焊接结构，而第二电子束被选择地在第一电子束之后的焊接结构的一部分处被引导。根据本发明的另一个优选方面，第一和第二电子束通过分开第三电子束形成。沉淀强化相通过第一电子束被溶解以便在焊接结构中大量缺乏。第二电子束具有一个足够的功率密度并在从第一电子束一段合适的距离的焊接结构上被引导，以便将焊接结构加热到合金的一个应力释放温度，并以一个足够的速率以便避免沉淀强化相的沉淀作用。在此方式下，在形成焊接结构之后，本发明的电子束焊接方法结果使焊接结构和周围区域几乎立即处于应力释放状态，结果使焊接组件可抵抗应变时效裂纹。
从下面的详细说明，将更了解本发明的其它目的和优势。
【附图说明】
图1是温度与时间的曲线图，该曲线图表示沉淀强化合金的C曲线运动学特征及尺寸具有的影响，为了避免沉淀强化相的沉淀作用，上述尺寸具有影响热处理一个部件的能力。
图2按照本发明示意性的表示一种分裂式电子束焊接系统。
图3是证明避免电子束焊接超级合金组件中的应变时效裂纹的能力的曲线图。通过在焊接后立即将焊接结构加热到一个足够的应力释放温度和以一个足够的速率以避免沉淀强化相的沉淀作用。
【具体实施方式】
本发明利用一种在图2中表示的电子束焊接系统。如图所示，焊接系统在一对部件12上执行一个焊接操作，通过此操作，电子束24在界面14处被导向，该界面14通过部件12的相对表面形成，以便形成焊接结构16。该焊接结构16将部件12冶金连接以便形成焊接组件10。部件12可以由多种金属合金组成，包括相对难以焊接的合金，如用于形成燃气涡轮发动机的铸铁部件的沉淀强化镍基超级合金。特别著名的超级合金包括已知为Rene N5的γ′强化镍基超级合金，它具有额定的成分，以重量百分比计，7.5％钴，7.0％铬，6.5％钽，6.2％铝，5.0％钨，3.0％铼，1.5％钼，0.15％铪，0.05％碳，0.0 04％硼，0.01％钇，平衡镍和伴随的杂质。尽管参照沉淀强化超级合金，将讨论本发明的优势，但是，可以预见通过应用本发明的方法到其它合金上也可获得其它的好处。
如图2所示，电子束24是两个电子束24和26其中之一，电子束24和26从由电子束枪22产生的电子束20分开。电子束24如图2中所示在一个向下的方向行进，并在一个足够的功率密度上来形成焊接结构16。第二个电子束26和焊接电子束24在相同的方向上行进，但可选择地投射在位置28之后的焊接结构16的部分30上。如图2所示，焊接电子束24瞬间投射在位置28上。正如下面讨论的那样，第二电子束26以一个足够的功率密度来执行在焊接结构16和立即围绕焊接结构16的HAZ上一个定位热处理，并随后足够地靠进焊接电子束24以便先于热处理将焊接结构16的冷却减至最小。根据本发明，当焊接组件10以后经历高温时，此高温在焊接操作过程中溶解强化相会有沉淀，与第二“处理”电子束26一起执行的热处理希望是足够的以便避免在焊接结构16之中和周围形成应变时效裂纹。
分开原始电子束20形成两个分离的电子束24和26可以由现有技术中已知类型的分开装置18执行，例如和过去用于预热如TWI实施的焊接连接界面的装置相似。然而，分开电子束24和26可以用其它各种装置和技术从电子束20分开，并且超过一个的处理电子束可以在焊接电子束24之后在多个位置投射。可供选择地，焊接电子束24和一个或多个处理电子束26可以由分离的多个电子束枪产生。然而，这种方法的一个缺点是必需维持分离的枪和协调它们电子束的目标。焊接和处理电子束24及26的必需功率密度将部分依赖于部件12和组成部件12的材料的热容量。通常，焊接电子束24优选的具有一个比处理电子束26较高的功率密度。可以预见，电子束24和26的直径可以不同，并且处理电子束26可以振荡以便增加其有效区域。
在逐渐导致本发明的一个试验中，九对由γ′强化镍基超级合金形成的试样通过一种堆焊电子束线供给(EBWF)技术焊接在一起。操作电子束焊接器以便高峰焊接温度足够以溶解在焊接接缝中和附近的γ′沉淀。立即跟着焊接，九个焊接试样对中的八个被迅速地转移至预热炉以便使焊接结构温度的下降最小。焊接后，第九个试样对没有进行热处理，但是允许通过自然常规冷却至室温(约25℃)。
对于进行焊后接热处理(PWHT)的那些试样对，它们的热处理炉可以预热到一个温度，约1200°F(约650℃)，1300°F(约705℃)，1400°F(约760℃)，1500°F(约815℃)，1600°F(约870℃)，1700°F(约930℃)，1800°F(约980℃)或1900°F(约1040℃)，具有提供渐进较高加热速率的渐进较高炉温。在八个试样对的热处理之后，所有的九个试样对被以一个足够低的速率加热到一个温度，为在焊接接缝中的γ′相的再次沉淀创造条件。再将试样对冷却至室温并检查应变时效裂纹的出现。如从图3证明所示，没有经历焊后热处理的试样对(如画着具有“0”的PWHT温度的所示)被发现具有较大量的应变时效裂纹。那些热处理在1400°F至约1800°F的试样对显示较少然而仍然有大量的裂纹，然而那些热处理在约1200°F和1300°F的试样对对于显示有应变时效裂纹来说显示有最少数量的裂纹。相反，在约1900°F(约1040℃)的试样对没有显示任何的裂纹，这证明焊后热处理速率是足够的以便完全避免受测试超级合金的C曲线尖部。正如这样，这些结果证明在电子束焊接之后迅速使用合适的热处理可以避免应变时效裂纹的产生。
从这些结果可以断定，再过度冷却之前如果焊接结构遭受第二电子束，并且如果第二焊接结构具有足够的功率密度以便快速加热焊接结构到对于特定合金的合适的应力释放温度，具有立即跟着焊接电子束的第二电子束的合适的热处理可以实施。
虽然本发明是按照优选实施例描述的，但是很显然，其它的形式可以被本领域的技术人员加以采用。所以，本发明的范围将只由随后的权利要求书限定。