一种用于燃气轮机透平静叶片宽隙焊接的复合焊接头

摘要

本发明公开的一种用于燃气轮机透平静叶片宽隙焊接的复合焊接头，包括摆动激光焊接头和电弧焊枪，弧焊枪通过焊枪夹持环与摆动激光焊接头连接。摆动激光焊接头输出光斑路径可呈螺旋型，激光光束对熔池有搅拌作用，达到排除焊缝中气孔的目的，同时，激光‑电弧光斑直径远远大于传统单激光焊接头的输出光斑直径，达到放大激光光斑的目的，克服传统单激光束焊接头对裂纹间隙的适应性差的不足。该装置结构简单、使用方便、实用性强的特点，有效解决传统单一激光焊方法适应间隙窄、焊缝气孔多的难题。

说明书

技术领域

本发明属于自动焊接技术领域，具体涉及一种用于燃气轮机透平静叶片宽隙焊接的复合焊接头。

背景技术

透平静叶片作为燃气轮机的核心部件之一，在机组频繁启停导致的循环温度和热应力载荷作用下，不可避免地产生热疲劳裂纹损伤(裂纹间隙一般处于0.3～3mm范围内)，严重影响其高温性能和服役寿命。为延长部件寿命，保证燃气轮机发电设备安全、经济、持续运行，开发燃气轮机透平静叶片焊接修复方法研究具有极其重要的意义。

氩弧焊等传统熔焊工艺已被美国电力研究学会(EPRI)列为E级以下燃气轮机热通道部件标准焊接修复方法。但传统熔焊工艺热输入量大，特别对于厚度较大的透平静叶片高温合金板材其焊透性差、焊缝背面易产生凹陷缺陷，产生的残余应力易致透平静叶片发生变形和焊缝热裂，难以保证修复精度和性能。加之F级及以上机型高温部件所用合金材料中Al+Ti含量较高，可焊性较差，传统熔焊工艺在F级及以上机型高温部件修复领域的局限性越来越大。激光焊已成为F级燃气轮机热通道部件的主要熔焊修复方法。然而，激光焊对装配间隙要求较传统熔焊工艺更为苛刻，一般要求间隙控制在板厚的10～15％以内，最大间隙不能超过0.3mm，且单一激光束易致焊缝产生气孔缺陷，提供工件报废率，因此限制其在透平静叶片大间隙裂纹焊接修复领域的应用。根据透平静叶片基体厚度大、裂纹间隙大等特点，探索适应性更佳的复合焊接方法，实现不同焊接方法的优势互补，提高焊接效率、降低修复成本，是未来热通道部件焊接修复技术的发展趋势。

针对传统熔焊和激光焊在高温合金薄壁部件裂纹损伤修复领域的局限性，开发一种裂纹间隙适应性更好、能有效解决焊缝气孔问题的透平静叶片宽隙裂纹的激光-电弧复合焊接头具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于燃气轮机透平静叶片宽隙焊接的复合焊接头，可有效解决焊缝气孔问题，可大大提高焊缝间隙的适应性、焊接合格率和生产效率，能够满足燃气轮机透平静叶片裂纹损伤的激光焊修补需要。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于燃气轮机透平静叶片宽隙焊接的复合焊接头，包括摆动激光焊接头和电弧焊枪，电弧焊枪通过焊枪夹持环与摆动激光焊接头连接，电弧焊枪的控制端与弧焊电源连接，电弧焊枪的焊丝装置与送丝机构连接；

所述摆动激光焊接头包括准直镜片、摆动镜片和聚焦镜片，准直镜片设置在激光的输出光路上，摆动镜片设置在准直镜片的输出光路上，摆动镜片用于调节光线路径，聚焦镜片设置在摆动镜片的反射光路上，聚焦镜片输出的光斑与焊丝装置输出的焊丝耦合，电弧焊枪与光斑形成的熔池重合。

优选的，所述摆动镜片包括X轴反射镜片和Y轴反射镜片，X轴反射镜片的轴线与Y轴反射镜片的轴线垂直，并且X轴反射镜片位于Y轴反射镜片的下方。

优选的，所述X轴反射镜片和Y轴反射镜片分别与两个驱动电机的输出轴连接。

优选的，所述X轴反射镜片和Y轴反射镜片均为反射镜。

优选的，所述摆动激光焊接头输出的光斑摆动频率为10HZ～300HZ。

优选的，所述摆动激光焊接头在离焦量为时的摆动直径为0.3～3mm。

优选的，所述准直镜为反射式准直镜。

优选的，所述准直镜片设置在激光发生器的输出光路上。

优选的，所述焊丝装置输出的焊丝位于熔池区域。

优选的，所述摆动激光焊接头输出的光斑路径为螺旋式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种用于燃气轮机透平静叶片宽隙焊接的复合焊接头，具有结构简单、使用方便、实用性强的特点，在驱动电机的作用下，激光束在X轴和Y轴方向发生高频摆动，形成螺旋型焊接路径，放大激光光斑，同时激光束对熔池形成明显的搅拌作用，减少焊缝中的气孔率，有效解决传统单一激光焊方法适应间隙窄、焊缝气孔多的难题，可降低透平静叶片中、厚高温合金板宽隙裂纹的返修率，有利于提高焊接合格率和生产效率，能够满足燃气轮机透平静叶片裂纹损伤的氩弧焊修补需要。

附图说明

图1为本发明摆动激光-电弧复合焊接头的结构示意图；

图2为使用本发明摆动激光-电弧复合焊接头所得熔池示意图；

图2a为使用摆动激光焊接头所得熔池；图2b为传统单一激光焊接头所得熔池。

图中：1—摆动激光焊接头；101—准直镜片；102—Y轴摆动镜片；103—X轴摆动镜片；104—Y轴驱动电机；105—X轴驱动电机；106—聚焦镜片；2—电弧焊枪；3—焊枪夹持环；4—送丝机构；5—弧焊电源；6—光斑和熔池区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1，一种用于燃气轮机透平静叶片宽隙焊接的复合焊接头，包括摆动激光焊接头1和电弧焊枪2，弧焊枪2通过焊枪夹持环3与摆动激光焊接头1连接。

所述摆动激光焊接头1包括准直镜片101、摆动镜片和聚焦镜片106，准直镜片101设置在激光的输出光路上，摆动镜片设置在准直镜片101的输出光路上，摆动镜片用于调节光线路径，聚焦镜片106设置在摆动镜片的反射光路上，聚焦镜片106输出螺旋式的光斑路径。

电弧焊枪2的控制端与弧焊电源5连接，电弧焊枪2的焊丝装置与送丝机构连接，焊丝装置输出的焊丝始终位于熔池区域6，电弧焊枪2与光斑形成的熔池重合。

所述摆动镜片包括X轴反射镜片103和Y轴反射镜片102，X轴反射镜片103和Y轴反射镜片102分别与X轴驱动电机105和Y轴驱动电机104的输出轴连接，通过两个驱动电机控制X轴反射镜片103和Y轴反射镜片102的摆动角度，控制激光的路径，达到放大激光光斑、搅拌熔池的效果；

所述准直镜为反射式准直镜。

摆动激光焊接头1输出的光斑摆动频率为10HZ～300HZ，在离焦量为0时的摆动直径处于0.3～3mm范围内。

上述摆动激光焊接头输出激光路径呈螺旋型，摆动激光焊接头适合焊接裂纹为0.1～3mm的缝隙，适用于焊接高温部件基体材料，例如，燃气轮机透平静叶片，包括透平第1、2、3、4级透平静叶片等高温部件基体材料。

参阅图2，该燃气轮机透平静叶片宽隙焊接的复合焊接头，焊接修复服役过渡段裂纹损伤时的输出光斑移动路径。可看出，在摆动激光焊接头的移动下，摆动激光焊接头输出的光斑路径呈螺旋型，电弧的输入对熔池有明显增宽作用，适应最大裂纹间隙达3.0mm，远远大于搅拌单激光焊接头所得熔宽(约2.0mm)。

该摆动激光焊接头的原理如下，摆动激光焊接头与弧焊电源及送丝机构相连，焊接头通过焊枪夹持环与电弧焊枪相连，经准直镜片后的单激光在经摆动镜片的反射过程中，分别通过X轴驱动电机和Y轴驱动电机实现X轴镜片和Y轴镜片的摆动，控制光路的路径，使光路形成螺旋形成，启到放大激光光斑和搅拌熔池的效果。同时，摆动激光焊接头输出的摆动激光束与电弧填丝耦合使得熔池更加宽大且填充饱满，进一步增加间隙的适应性。在焊接头移动的情况下，摆动激光焊接头输出光斑路径可呈螺旋型，激光光束对熔池有搅拌作用，达到排除焊缝中气孔的目的，同时，激光-电弧光斑直径远远大于传统单激光焊接头的输出光斑直径，达到放大激光光斑的目的，克服传统单激光束焊接头对裂纹间隙的适应性差的不足。该装置结构简单、使用方便、实用性强的特点，有效解决传统单一激光焊方法适应间隙窄、焊缝气孔多的难题，同时降低透平静叶片中、厚高温合金板宽隙裂纹的返修率，有利于提高焊接合格率和生产效率，能够满足燃气轮机透平静叶片裂纹损伤的激光焊修补需要。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。