CN102189349A - 水平焊接方法及其接头结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水平焊接方法及其接头结构，具体而言，本发明的实施例一般地涉及焊接方法，更特别地，涉及用于在水平位置上焊接的方法，和适用于此类方法的接头结构。在一个实施例中，本发明提供一种在两个部件之间形成焊接接头的方法，该方法包括：对齐第一和第二部件(100、200)以在二者之间形成接头(300)，该接头(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)具有互补的形状；定向第一和第二部件(100、200)，使得每个部件的主轴线(140、240)基本垂直地定向；以及在基本水平定向的根部开口(310)处焊接(730)第一和第二部件(100、200)，基本水平定向的根部开口(310)沿接头(300)定位。

Description

水平焊接方法及其接头结构
技术领域
本发明的实施例一般地涉及焊接方法，并且更特别地，涉及用于在水平位置上焊接的方法和适用于此类方法的接头结构。
背景技术
汽轮机转子和类似设备的制造经常涉及零部件的钨极惰性气体保护焊(GTAW)。GTAW促进提高力学性能，该性能包括连接具有不同基底材料的部件的能力，正如在高性能机械中经常所期望的。在其中将填充金属在进入焊池之前预热到其熔点附近温度的“热丝”GTAW在许多场合下经常是优选的，因为其通常比“冷丝”GTAW更迅速和高效，“冷丝”GTAW完全依靠来自电弧的热来熔化填充金属。
已知GTAW方法(尤其是热丝GTAW法)的缺陷是它们局限于在平坦位置上焊接。也就是说，此类方法涉及焊条向下面对焊接接头情况下的焊接。因而，在汽轮机转子和类似设备的制造中使用GTAW尤其是热丝GTAW时，通常需要对大部件进行操作和移动以适当定向焊接接头。此类操作和移动必然降低效率，并增加制造设备的费用。
发明内容
一个实施例中，本发明提供了一种在两个部件间形成焊接接头的方法，该方法包括：对齐第一和第二部件，从而在它们之间形成接头，该接头包括：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补的形状；定向第一和第二部件，使得各部件的主轴线垂直定向；和在基本水平定向的根部开口处焊接第一和第二部件，该基本水平定向的根部开口沿接头定位。
另一实施例中，本发明提供了一种在设备的两种金属部件间形成焊接接头的方法，该方法包括：获得第一部件，其具有：基本圆柱形的主体，沿主体的表面的匹配面，该匹配面包括凸起，以及远离匹配面并朝向主体延伸的凹面；获得第二部件，其具有：基本圆柱形的主体，沿主体的表面的匹配面，匹配面包括与第一部件的匹配面的凸起的形状互补的凹陷，以及远离匹配面并朝向主体延伸的凹面；对齐第一部件和第二部件，使得第一部件的匹配面的凸起位于第二部件的匹配面的凹陷内，并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圆柱形的主体的相邻表面形成水平定向的根部开口；以及跨越水平定向的根部开口将第一部件焊接至第二部件。
在又另一个实施例中，本发明提供了一种涡轮机转子，包括：第一部件，其具有：第一主体，沿第一主体的表面的第一匹配面，第一匹配面包括凸起，和远离第一匹配面并朝向第一主体延伸的第一凹面；第二部件，其具有：第二主体，沿第二主体的表面的第二匹配面，第二匹配面包括与第一匹配面的凸起的形状互补的凹陷，和远离第二匹配面并朝向第二主体延伸的凹面；在第一部件和第二部件之间由第一凹面和第二凹面形成的根部开口；根部开口内的接头，接头由凸起和凹陷形成，并偏移根部开口的中心。
附图说明
结合描绘本发明的各个实施例的附图，从下面的详细描述中，本发明的这些和其他特征将会更容易理解，其中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的适于形成接头结构设备的部件的侧横截视图；
图2显示了图1的部件对齐以形成接头；
图3显示了图2的部件的较宽的横截正面图；
图4显示了根据本发明的一个实施例的正在被焊接的图3的部件；
图5显示了根据本发明的另一个实施例的对齐的部件的横截正面图；以及
图6显示了根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
应当指出本发明的附图未按照比例。附图仅意图描绘本发明的典型方面，并且因此不应当认为限制本发明的范围。附图中，相似的数字代表附图间相似的元件。
零部件列表
100，400第一部件
110，410主体
112，412外表面
114，414内表面
120匹配面
122凸起
130凹面
140，144纵轴线
142，144，442，444径向轴线
150，450孔洞
200，500第二部件
210，510主体
212，512外表面
214，514内表面
220匹配面
222凹陷
230凹面
240，540纵轴线
242，244，542，544径向轴线
250，550孔洞
300，600接头
310，610根部开口
320水平面
330偏移
700，702焊头
710，712保护气体
720填充焊条
730焊接
740焊缝
具体实施方式
现在参考附图，图1显示了汽轮机转子或类似设备的第一部件100和第二部件200的横截侧视图。第一部件100和第二部件100的每一个均包括主体110、210，匹配面120、220以及凹面130、230，凹面130、230分别远离匹配面120、220并朝向主体110、210延伸。匹配面120、220基本互补地成形，使得它们可形成接头结构。如图1中所示，第一部件100的匹配面120包括从匹配面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可位于其中的凹陷222。
图2显示了根据本发明的一个实施例处于结合位置并形成接头300的第一部件100和第二部件200。由如图2中可见，第一部件100的凹面130和第二部件200的凹面230形成根部开口310(即，部件之间的开口，沿其可形成焊缝)。第一部件100和第二部件200最终将通过焊接在根部开口310处而接合。因而，根部开口310通过其成角度的形状而便于进入根部开口310的填充金属的沉积。也就是说，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的每一个均独立地处于约0°到约10°之间。在一些实施例中，每个角度均处于约3°到约7°之间。在一些实施例中，每个角度为约5°。如本领域技术人员将会理解的，并且如以下将更详细的描述和显示的，水平面320将处于沿着或平行于第一部件100和第二部件200的径向轴线或径向平面的位置。
如图2中可见，接头300从根部开口310的中心偏移330，水平面320位于穿过该中心处。也就是，第一部件100和第二部件200在根部开口310内相会的点从根部开口310的中心偏移。图2中，偏移300向具有凸起122的部件即第一部件100移位，尽管这并不是必需的。
图3显示了图2的第一部件100和第二部件200较宽的正面图。如图3中可见，第一部件100和第二部件200可分别包括具有孔洞150、250、纵轴线140、240以及多个径向轴线142、144和242、244的基本柱状或管状的主体110、210。尽管主体110、210以上描述为基本柱状或管状，但应当理解，图3的横截图只显示了每个主体的弓形段。根部开口310分别沿第一部件100和第二部件200的外表面112、212开口。第一部件100和第二部件200各自还分别包括沿它们的孔洞150、250形成的内表面114、214。
图4显示了焊接期间就位的第一部件100和第二部件200，其中它们的纵轴线140、240定向为基本垂直。因此，它们的径向轴线142、144和242、244以及根部开口310定向为基本水平。
如上文指出的，已知的GTAW方法且特别是热丝GTAW方法局限于在平坦位置上(即，在根部开口310向上的情况下)焊接。但如图4中所示，本发明的实施例不仅允许在水平位置上焊接(即，在根部开口310基本水平，而纵轴线140、240定向为基本垂直的情况下)，并且还允许使用多个焊头700、702。也就是，焊头700、702能够沿根部开口310在不同点处同时焊接730，且各焊头700、702围绕第一和第二部件100移动同时形成焊缝740。
图4中，焊头700显示沿接头300进行焊接730，同时填充焊条720将填充金属沉积到根部开口310中。如本领域技术人员将会认识到的，保护气体710、712保护焊接730不受大气源气体如氧气和氮气影响。适当的保护气体710、712包括但不限于氩气、氦气、氢气及它们的混合物。
沉积到根部开口310中的填充金属将会变化，当然取决于很多因素，包括部件的组成材料。适当的填充材料包括但不限于镍合金、不锈钢、低合金钢、高合金钢及它们的混合物。
至于部件本身的成分，本领域技术人员将会认识到，任何数量的材料都可以使用，并将例如取决于部件或成品设备将进行的应用。因而，在一些情况下，部件本身可包括不同材料。例如情况经常是用在汽轮机转子中的部件，此处不同温度的蒸汽会接触不同的部件。在此情况下，可能期望基于其将会暴露于其下的蒸汽温度选择每个部件的材料，从而控制如热膨胀之类的此类因素。部件材料的非限制性例子可独立地由以下材料组成，包括例如不锈钢、碳钢、镍合金、低合金钢、高合金钢及它们的混合物。
图5显示了本发明的另一个实施例，其中根部开口610分别沿第一部件400和第二部件500的内表面414、514开口。也就是，根部开口610分别在第一部件400和第二部件500的孔洞450、550内开口。因而，在根部开口610内接头600处形成焊缝，需要使焊接装置穿入一个或两个孔洞450、550。如图4中所示的实施例中，可以使用多个含头在基本水平的位置上焊接。
图6显示了根据本发明的一个实施例的方法的流程图。在A步骤，第一和第二部件100、200(图4)对齐，使得第一部件100的匹配面120(图1)上的凸起122(图1)位于第二部件200的匹配面220(图1)上的凹陷222(图1)内。从而根部开口310(图2)通过第一部件100和第二部件200的凹面130、230(图2)形成。在B步骤，第一和第二部件100、200定向成使得它们的纵轴线140、240分别基本垂直，而它们的径向轴线142、144和242、244基本水平。如本领域技术人员将会认识到的，A步骤的对齐和B步骤的定向可以任意顺序或同时执行。也就是，在本发明的一些实施例中，第一和第二部件100、200可首先相对彼此对齐且然后定向，使得它们的纵轴线和径向轴线如上所述定向。在本发明的其他实施例中，第一和第二部件100、200可首先定向使得它们的纵轴线和径向轴线如上所述定向，且然后相对于彼此对齐。而在本发明的又其它实施例中，第一部件和第二部件100、200可同时既对齐又定向。
在C步骤，可选地将填充金属引入根部开口310。在此类情况下，在D步骤可以可选择地将填充金属加热到其熔点附近的温度(即，热丝焊)。
最后，在E步骤，第一和第二部件100、200沿根部开口310被焊接730(图4)。如上文所指出的，E步骤的焊接可在基本水平的方向上进行，并且可包括GTAW方法，还可包括用多个焊头700、702(图4)同时焊接。
本文使用的术语用于仅描述特定实施例的目的，而并非意图为发明公开的限制。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”意图包括复数形式，除非上下文清楚地指出其他含义。还应当理解，术语“包括”和/或“包含”当用在本说明书中时，特指所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或添加。
此书面说明书用实例公开本发明，包括最佳模式，还能使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造或使用任何设备或***，并执行任何相关或结合的方法。本发明的可授予专利范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构性元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言的无实质性差别的等价结构元件，则这些其它实例意在处于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种在两个部件之间形成焊接接头的方法，所述方法包括：
对齐第一部件(100)和第二部件(200)以在二者之间形成接头(300)，所述接头(300)包括：
所述第一部件(100)的凸起(122)，和
所述第二部件(200)的凹陷(222)，
其中，所述凸起(122)和凹陷(222)具有互补的形状；
定向所述第一部件(100)和所述第二部件(200)，使得每个部件的主轴线(140、240)垂直地定向；和
在基本水平定向的根部开口(310)处焊接(730)所述第一部件(100)和所述第二部件(200)，所述基本水平定向的根部开口(310)沿所述接头(300)定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接(730)包括沿所述基本水平定向的根部开口(310)进行焊接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接(730)包括使用多个焊头(700、702)同时进行焊接。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接包括钨极惰性气体保护焊(GTAW)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述GTAW使用保护气体(710、712)，所述保护气体(710、712)选自包括如下气体的组：氩气、氦气、氢气及它们的混合物。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述焊接(730)还包括：
将填充金属(720)引入水平定向的根部开口。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述填充金属(720)选自包括如下金属的组：镍合金、不锈钢、低合金钢、高合金钢及它们的混合物。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述焊接(730)还包括：
将所述填充金属(720)加热到所述填充金属(720)的熔点附近的温度。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一部件(100)包括第一材料，而所述第二部件(200)包括不同于所述第一材料的第二材料。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一部件(100)和所述第二部件(200)的每一个均独立地包括选自包括以下材料的组的至少一种材料：不锈钢、碳钢、镍合金、低合金钢、高合金钢及它们的混合物。
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