Способ изготовления неразъемного рабочего колеса турбины Советский патент 1993 года по МПК B23K20/00 

Изобретение относится к сварочной технике и может быть использовано как при изготовлении новых, так и при ремонте рабочих колес турбины с лопатками.

Сущность изобретения заключается в том, что изготавливают заготовку обода колеса с выступами, соответствующими форме и расположению лопаток на колесе. Лопатки изготавливают с буртиками вблизи привариваемого торца. Собирают одну из заготовок лопатки с ободом, прикладывают усилие сжатия к заготовке лопатки через буртик, осуществляют локальный нагрев места сварки до температуры течения металла и образования соединения. Для приварки остальных лопаток повторяют операции сборки, приложения усилия сжатия и локального нагрева для каждой лопатки. Удаляют буртики после приварки каждой лопатки или после приварки всех лопаток.

Аналогичным образом поступают при повреждении, например, одной из лопаток.

На фиг.1 показано неразъемное рабочее колесо с лопатками, одна из которых повреждена; на фиг.2 - часть заготовки обода колеса и заготовка; на фиг.З - часть обода колеса с поврежденной лопаткой; на фиг.4 - в частичном разрезе устройство для приварки лопатки; на фиг.5 - микрофотография, показывающая микроструктуру материала лопатки вблизи зоны сварки; на фиг.6 - микрофотография, показывающая микроструктуру в плоскости соединения лопатки с ободом колеса.

На фиг.1 показано неразъемное рабочее колесо турбины с лопатками, в число которых входит, например, одна поврежденная лопатка 1. На фиг.З показана одна приваренная, например, поврежденная лопатка 1. Пунктирная линия 2 на фиг.З показывает желаемое положение сварного соединения при изготовлении или при ремонте.

При изготовлении нового рабочего колеса заготовку обода колеса изготавливают

(Л

С

00

ч ю о

ГчЭ

со

с выступами 3, форма и расположение которых соответствует форме и, расположению лопаток 1. Высоту выступа выбирают в пределах 2,5-5,1 мм (0,1-0,2 дюйма).

При ремонте поврежденной лопатки сварное соединение располагают на достаточном расстоянии от поврежденного участка 4, но в то же время на достаточном расстоянии от поверхности 5 обода, чтобы образовался выступ 3 того же размера, как и при изготовлении нового рабочего колеса.

Удаление поврежденного участка лопатки может осуществляться с помощью любого известного метода, например с помощью механической обработки на станке, электроискровой обработки с проволоч- ным электродом и т.п. Основные особенности заготовки 6 лопатки 1 состоят в том, что она снабжена буртиком 7 по периферии, который расположен сравнительно близко к желаемому месту сварки. Заготовка 6 лопатки в месте сварки имеет поперечное сечение, являющееся зеркальным отображением поперечного сечения выступа 3. В условиях заводского производства обязательно будет иметься несколько стандартных конфигураций заменяющих лопаток, которые можно подобрать так, чтобы они охватывали некоторый диапазон требований при ремонте.

Форма и расположение буртика 7 способствует равномерным нагреву и деформации. Буртик 7 (который предпочтительно имеет прямолинейную или плоскую форму), на который воздействуют приспособлением 8 для прижатия лопатки, обеспечивает равномерный электрический контакт (необходимый в случае электрического резистивного нагрева) между приспособлением 8 и заготовкой 6 в результате простоты сопряжения по прямолинейной и плоской поверхности буртика - в противоположность попытке получения равномерного контакта вдоль сложной поверхности лопатки. Это обеспечивает равномерное протекание электрического тока через область сварки по всей ширине (от передней кромки до задней кромки) лопатки, способ- ствуя образованию постоянной температуры, несмотря на изменяющуюся толщину лопатки. Предпочтительно, чтобы буртик 7 входил в соответствующий вырез 9 в приспособлении для прижатия лопатки, что благодаря хорошему контакту по всей длине способствует образованию участка эффективной теплопередачи вблизи области сварки, а это помогает локализовать высокотемпературную зону. Рассеивание тепла, передаваемого от буртика 7 лопатки к приспособлению 8 для прижатия заготовки лопатки, достигается с помощью расположенных специальным образом каналов 10 водяного охлаждения, проходящих ниже (или вокруг) поверхностей приспособления

8, находящихся в контакте с буртиком 7 лопатки, в результате чего не снижается конструкционная целостность этого приспособления из-за действия высоких температур. В то же время приспособление

8 должно быть достаточно прочным для того, чтобы сопротивляться деформации во время сварки.

Водяное охлаждение обеспечивает поддержание температуры буртика 7 привари5 ваемой заготовки 6 лопатки ниже значения, при котором прочность сплава позволит ему деформироваться. В результате этого достигается размерная точность и стабильность буртика на протяжении всего цикла

0 сварки.

Располагаясь вблизи области сварки, буртик 7 обеспечивает эффективную передачу усилия F, необходимого для достижения сварки без пластической деформации

5 вне области сварки, т.е. без изгиба или выпучивания остальной части лопатки. Это особенно важно в тех случаях, когда участок лопатки снаружи от буртика имеет сетчатую структуру (после окончательной обработки

0 на станке). Это также способствует достижению размерной точности сваренного изделия.

Буртик 7 способен обеспечивать переход от сложной (изменяющейся толщины)

5 формы лопатки (при которой трудно получить сопряжение с другой деталью) к упрощенной форме, включающей в себя плоские поверхности (как в продольном, так и в поперечном направлениях), которые легко об0 рабатывать на станке во время

изготовления заготовок лопатки и которые

легко можно располагать в сопряжении с

приспособлением 8 для прижатия лопаток.

Буртик 7 содержит для этого точные рас5 полагающие поверхности.

Данный способ может быть использован в автоматизированной технологической системе, производящей новые неразъемные рабочие колеса с лопатками, в которой

0 отдельные лопатки последовательно загружаются в приспособление для приварки лопаток во время операции изготовления, выполняемой в период одного цикла приложения вакуума.

5 Подготовка к сварке включает в себя обработку подлежащих сварке поверхностей с целью облегчения сварки. Сюда входит главным образом удаление всех посторонних веществ, включая грязь, жир, масло и т.д., а также поверхностных окислов. Такая подготовка поверхности может осуществляться с помощью различных методов, обычно с помощью механического шлифования поверхности с последующим химическим травлением.

Сварка обычно производится под высоким вакуумом (1, Па, рт.ст.)при действии температуры и давления, достаточных для образования течения металла. Очевидно, что условия будут изменяться в зависимости от используемых материалов. Однако для обычных суперсплавов значения температуры равны порядка 1038- 1149°С (1900-2100°F), а значения давления будут равны порядка 1, кПа (15-Ю3 фунт-сила/кв.дюйм). При сварке лопаток типичного размера, длина которых равна, например, между 51 и 76 мм (2 и 3 дюйма), уменьшение размера (укорочение) заменяющей лопатки и выступа следует делать равным порядка 1,27 мм (0,05 дюйма) для обеспечения достаточного течения металла, гарантирующего образование сварки. Деформация может также измеряться (оцениваться) по увеличению площади сварного соединения в процессе сварки. В этом случае увеличение площади сварки на не менее 50% (предпочтительно на не менее 100%) будет говорить о том, что действительно произошло соединение.

После осуществления процесса сварки узел может быть вынут из сварочного устройства с последующим удалением выступающего буртика и выдавленного из сварного соединения металла с лопатки с помощью известных методов обработки на станке. После такой обработки на станке можно произвести локальную термообработку той части лопатки, которая подверглась процессу сварки с целью обеспечения необходимых механических свойств.

На фиг.5 и 6 представлены две микроструктуры сваренного в соответствии с настоящим изобретением узла. Материал соответствует сплаву, состоящему из 10% Сг, 15% Со, 3% Мо, 5,5% AI, 4,7% Ti, 0,18% С, 0,014% В, 0,06%1Л, 1% V, остальное NI).

Заготовки сварены при температуре 1010°С (1850°F) и давлении 1,04-104 кПа (15-Ю3 фунт-сила/кв.дюйм), а затем сварное соединение подвергнуто термообработке при

температуре 1130°С (2065°F) в течение 1 ч (обработка на твердый раствор) и при температуре 760°С (1400°F) в течение 1 ч (старение) с последующим медленным охлаждением до комнатной температуры.

Микрофотографии сделаны с увеличением в 1000 раз и их сходство поразительно. Что также очень важно, линию сварки на фиг.6 различить невозможно. Микроструктурная равномерность по линии сварки позволяет

предположить, что сварное соединение будет иметь свойства, эквивалентные свойствам материала заготовок, и механические испытания подтверждают это.

Формула изобретения

1. Способ изготовления неразъемного рабочего колеса турбины, при котором изготавливают заготовку обода и заготовки лопаток и приваривают заготовки лопаток к заготовке обода, отличающийся тем,

что, с целью повышения прочности сварного соединения, заготовку обода изготавливают с выступами, соответствующими форме и расположению лопаток на колесе, лопатки изготавливают с буртиками вблизи

привариваемого торца, собирают одну из заготовок лопатки с ободом, прикладывают усилие сжатия к заготовке лопатки через буртик, осуществляют локальный нагрев места сварки до температуры течения металла и образования соединения, для приварки

остальных лопаток повторяют операции сборки, приложения усилия сжатия и локального нагрева для каждой лопатки, удаляют буртики.

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что буртик каждой из лопаток удаляют после ее приварки и остывания места сварки.

3. Способ поп.1 отличающийся

тем, что буртики удаляют после приварки всех лопаток.

Фиг. 2

Использование: изготовление или ремонт неразъемного рабочего колеса турбины с лопатками. Сущность изобретения: заготовка лопатки приваривается к выступу на заготовке обода колеса. Заготовка лопатки имеет буртик, через который передается усилие при сварке. После сварки производятся операции окончательной обработки на станке и термообработки. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

Фиг.З

itЈ V - -jLS S , 4 v4$cf&

ЙУ1

1000X

Фиг.

(-з d yir:0Јь:«- с. йьЧтт ff &№

Ж .-V db;. 4$

,,Д ., - . f .

1

&

Х-.-.