Способы и устройство сварки, использующие электроды с коаксиальной подачей питания

Изобретение может быть использовано для формирования дуговой наплавкой желаемой композиции материала суперсплава. Сварочный электрод (100) выполнен в виде металлической цилиндрической оболочки (105), имеющей сварочный конец и внутреннюю полость (110), в которой расположены порошкообразные присадочные материалы (150), способные перемещаться относительно металлического цилиндра к сварочному концу электрода. Средства подачи порошкообразных присадочных материалов включают газ-носитель и обеспечивают возможность перемещения упомянутых материалов относительно цилиндрической оболочки. Оболочка может быть сформирована из чистых металлов или сплавов, способных к экструзии, а подаваемые через внутреннюю полость присадочные материалы содержат остальные составляющие композиции суперсплава. Средства подачи могут дополнительно содержать механическую сборку, например, в виде шнека, или акустическую систему. Сварочный электрод может дополнительно содержать покрытие (120) из флюса. Получаемая наплавка достигает желаемой композиции суперсплава в результате комбинации материалов цилиндра и подаваемых материалов ядра. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к области обработки материалов, и более конкретно к способам и устройству сварки, использующим электроды с коаксиальной подачей питания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Сварка суперсплавов сопряжена с рядом технических проблем из–за высокой прочности (и соответствующей низкой пластичности), для достижения которой эти сплавы оптимизируются. Одна из проблем связана с проволокой из присадочного металла сварного шва, которая обычно изготавливается для обеспечения конкретного/особенного наплавленного сплава, т.е. желаемой композиции наплавки для конкретного суперсплава, для обычной обработки программы посредством дуговой сварки (например, GTAW, PAW, GMAW и т.д.) или для лучевой (например, лазерной) обработки с проволокой (например, LBW). Такая специфичность ограничивает любую гибкость в части попыток достичь разнообразия композиций наплавок из суперсплава.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Следует принять во внимание, что автор настоящего изобретения признал вышеупомянутые ограничения проволоки из присадочного металла сварного шва и электродов предшествующего уровня техники, и теперь раскрывает новый электрод для использования в операции сварки.

[0004] В одном варианте осуществления предлагается электрод для использования в сварочной операции. Этот электрод содержит металлический цилиндр, определяющий полое ядро внутри. Это полое ядро обеспечивает трубопровод для подачи одного или более материалов с помощью средства подачи. Цилиндр может быть сформирован из чистых металлов или металлических сплавов для формирования желаемой композиции материала суперсплава, в то время как материалы, подаваемые через трубопровод, содержат остальные составляющие композиции для формирования желаемой композиции материала суперсплава. Получаемая наплавка достигает желаемой композиции суперсплава в результате по меньшей мере комбинации материалов цилиндра и подаваемых материалов ядра. Следует принять во внимание, что чистый металл или металлический сплав цилиндра является материалом, легко экструдируемым (например, пластично формуемым) в его цилиндрическую форму. Электрод может дополнительно содержать материал флюса, окружающий цилиндр и/или материал флюса, подаваемый, например, через трубопровод. Материал флюса может также способствовать желаемой композиции суперсплава в результате операции сварки. Средство подачи может быть вспомогательным газом–носителем или механическим узлом, функционально связанным с электродом, для подачи одного или нескольких материалов к выходному концу электрода.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0005] Фиг. 1 схематически иллюстрирует один вариант осуществления электрода в соответствии с настоящим изобретением;

[0006] Фиг. 2 схематически иллюстрирует один дополнительный вариант осуществления электрода, показанного на Фиг. 1, в соответствии с настоящим изобретением;

[0007] Фиг. 3 иллюстрирует блок–схему способа сварки в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0008] Автор настоящего изобретения разработал новый способ и устройство для наплавления различных трудно наплавляемых сплавов. Этот способ использует вариацию процесса дуговой сварки металлическим электродом в защитной атмосфере (SMAW), который также упоминается как сварка защищенной дугой или сварка покрытым электродом. Новый процесс включает в себя использование электрода, состоящего из полой оболочки из металла или металлического сплава и ядра, которые могут быть окружены средством создания защитной атмосферы, например, адгезионным покрытием из флюса. При работе полая оболочка из металла или металлического сплава и ядро проводят сварочный ток, в то время как покрытие из флюса обеспечивает защиту. Во время операции сварки полая металлическая оболочка/ядро плавится и обеспечивает, например, основной материал для наплавки, например, чистого никеля или легированного никеля, железа и т.д., в то время как присадочный материал, подаваемый через полое ядро, обеспечивает, например, остальные материалы, требуемые для формирования желаемой наплавки. Покрытие из флюса плавится во время операции сварки, выделяет защитные газы и обеспечивает шлак (сначала расплавленный, а затем твердый), чтобы защитить наплавляемый материал от атмосферных реакций. Следует принять во внимание, что флюс может также способствовать химии наплавляемого материала, и может удалять примеси из расплавленной ванны.

[0009] Следует принять во внимание, что предлагаемый новый электрод теперь обеспечивает гибкость в формировании множества композиций наплавляемого суперсплава из одного электрода. Например, для суперсплава на основе никеля электрод, содержащий цилиндр из чистого металлического никеля, может использоваться для формирования любой композиции наплавляемого суперсплава на основе никеля, поскольку остальные составляющие для формирования желаемой наплавляемой композиции могут теперь подаваться через полое ядро электрода. Иначе говоря, теперь можно сформировать, например, множество типов никелевых наплавок путем изменения материалов, подаваемых через полое ядро электрода, чтобы сформировать желаемую наплавку, вместо замены электрода. Варианты осуществления электрода могут включать в себя и применяться к другим материалам, в дополнение к упомянутым выше суперсплавам, например, к нержавеющим сталям, упрочненным дисперсией оксидов сплавам и т.д., где металлический цилиндр будет сформирован, например, из железа, в то время как остальные компоненты для формирования наплавки из нержавеющей стали обеспечиваются через полое ядро.

[0010] Что касается чертежей, которые предназначены только для иллюстрации вариантов осуществления предмета изобретения, а не для их ограничения, Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию одного примерного варианта осуществления сварочного аппарата, то есть электрода 100.

[0011] Электрод 100 может быть электродом 100 типа SMAW и может включать в себя цилиндр 105, например, металлический цилиндр или трубу, имеющую внутри полое ядро 110, для пропускания электрического тока во время сварки. Ядро 110 может иметь цилиндрическую форму, определяющую внутреннюю часть (то есть внутреннюю часть ядра), приспособленную или имеющую размеры для обеспечения трубопровода для подачи материалов 150, например потока порошкообразных присадочных материалов (например, порошка металлического сплава и/или других компонентов), а также средства доставки материала, например, газа–носителя (вспомогательного газа) или вращающейся системы.

[0012] Цилиндр 105 может быть сформирован из пластичного материала, такого как элементарные металлы, например железо, никель, кобальт, алюминий, или экструдируемые материалы из металлического сплава, включая подмножество элементов композиции, способствующее получению желаемого материала, например суперсплава, например никель или сплав никеля (например CM247, Inconel 718, Inconel 939, Haynes 282, ER NiCr–3…). При работе трубопровод 110, то есть полая часть электрода 100, может облегчать подачу остальных компонентов композиции, например Cr, Mo, Ti, Al, W, Mo, C, Ta и т.д., в порошковой форме с газом–носителем. Следует учесть, что комбинация материала цилиндра и подаваемых через ядро материалов после возможных ожидаемых летучих потерь приводит к получению наплавленной композиции суперсплава.

[0013] Газ–носитель (вспомогательный газ) может быть любым известным типом вспомогательного газа для дуговой сварки, например аргоном, гелием, водородом, диоксидом углерода, кислородом, азотом и т.д., или их смесями, и может опционально требоваться в зависимости от варианта осуществления электрода 100. Скорость подачи порошка вспомогательным газом может регулироваться, например, в зависимости от скорости выгорания электрода 100, чтобы достичь желаемой композиции наплавляемого суперсплава. Автор настоящего изобретения идентифицировал увеличенную и потенциально неограниченную гибкость в этом подходе для уменьшения или увеличения скорости подачи порошка через ядро или для регулирования подаваемой через ядро порошковой композиции для модулирования наплавляемой композиции.

[0014] Продолжая ссылаться на чертежи, электрод 100 может дополнительно включать в себя средство 120 защиты для обеспечения защиты, например, от атмосферных реакций, когда дуга устанавливается между концом электрода и свариваемой подложкой. В одном варианте осуществления средство защиты может быть адгезивным покрытием 120 из флюса, которое может окружать часть 110 из металлического сплава с удаленной сердцевиной электрода 100. Покрытие 120 из флюса может обеспечить защиту, например, во время операции SMAW, например от атмосферных реакций, когда дуга устанавливается между концом электрода и свариваемой подложкой.

[0015] Покрытие 120 из флюса может быть полным покрытием из флюса, чтобы оно могло обеспечить полную защиту, например во время операции SMAW, без какой–либо дополнительной помощи, например от другого источника защиты. Дополнительно или альтернативно покрытие 120 из флюса может быть уменьшенным покрытием из флюса, которое может потребовать дополнительных средств защиты. Дополнительно или альтернативно средство защиты может быть материалом флюса, выступающим или подаваемым через трубопровод 110. Подаваемый по трубопроводу флюс может подаваться, например, вместе с любыми материалами для подачи в полое ядро, или смешиваться с ними и подаваться одновременно или в виде частиц конгломерата.

[0016] В еще одном дополнительном примерном варианте осуществления средство 120 экранирования может быть вспомогательным газом, который может подаваться вокруг или через трубопровод 110 для обеспечения защиты или дополнительной защиты, например в точке сварки. Дополнительное средство защиты может быть обеспечено любым из флюсовых покрытий (полным или уменьшенным), или вместо покрытия 120 из флюса. Дополнительно или альтернативно вспомогательный защитный газ также может быть обеспечен, например, в точке сварки, чтобы обеспечить дополнительную защиту, например на внешней поверхности трубчатого электрода 100 из металлического сплава. В еще одном дополнительном варианте осуществления дополнительный порошкообразный флюс может также выступать или подаваться через трубопровод 110 в качестве дополнительного средства защиты.

[0017] На Фиг. 2 показан один дополнительный вариант осуществления электрода 100. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, средство подачи материалов через полое ядро 110 может быть механической сборкой 200 для механической подачи присадочные материалов (например, порошка) через трубопровод 110. В одном варианте осуществления механическая сборка 200 может быть вращающимся винтом или шнеком 200 (см. Фиг. 2), который может быть функционально выполнен с возможностью управления потоком материалов и/или пропускной способностью ядра 110.

[0018] Шнек 200 может быть выполнен с возможностью втягивания или извлечения в осевом направлении относительно электрода 100 со скоростью выгорания электрода 100. Дополнительно или альтернативно электрод 100 может перемещаться или выступать, например поверх закрепленного шнека во время операции сварки.

[0019] Подача присадочных материалов (например, порошка) через шнек 200 может определяться скоростью вращения шнека 200, а также размером (глубиной) и шагом винтовой нарезки шнека. Дополнительно или альтернативно выходной конец шнека, то есть тот конец, к которому порошок подается посредством шнека 200, должен находиться у сварочного конца электрода 100 или рядом с ним (например, возле дуги, показанной на Фиг. 2).

[0020] В еще одном примерном варианте осуществления средство подачи может представлять собой одну или несколько акустических или ультразвуковых волн, излучаемых акустическим или ультразвуковым устройством или системой. Ультразвуковая система может быть сконфигурирована, например, для генерации и/или наложения ультразвуковых волн на электрод 100 для улучшения доставки материалов по трубопроводу 110. Эти волны могут быть направлены к электроду 100 или к материалам внутри трубопровода 110 для того, чтобы направленно управлять потоком и объемной скоростью материалов внутри трубопровода 110 и через электрод 100.

[0021] Следует принимать во внимание, что механические средства подачи могут использоваться со вспомогательным газом–носителем или вместо любого газа–носителя для перемещения материалов, подаваемых через электрод 100. Любая комбинация средств подачи может использоваться для подачи присадочных материалов через трубопровод 110.

[0022] На Фиг. 3 показана одна методика (способ) 1000 сварки, использующая варианты осуществления электрода 100. Следует принимать во внимание, что любые стадии, раскрытые в настоящем документе, не обязательно должны выполняться в каком–либо конкретном порядке, и тем самым предоставлены в целях примера. Например, стадии для подачи материалов через полое ядро 110 могут выполняться до формирования сварочной ванны, во время формирования сварочной ванны, или после формирования сварочной ванны.

[0023] Способ 1000 может включать в себя плавление электрода 100 для формирования наплавки, например, композиции материалов, например, композиции материала суперсплава на подложке (1010) суперсплава. Следует учитывать, что во время процесса сварки электрод 100 может удерживаться, например, держателем 300, также известным как жало 300. В одном примерном варианте осуществления жало 300 может определять внутренность или отверстие, имеющее по меньшей мере часть его, соответствующую по размеру или приспособленную для облегчения подачи через нее материалов 150 и/или средств 200 подачи (например, движущего газа, шнека). Например, Фиг. 2 показывает один вариант осуществления жала 300 с внутренностью 310, выполненной с возможностью принимать в себя шнек 200 для подачи присадочных материалов 150 у сварочного конца электрода 100 около точки сварки.

[0024] Электрод 100 может удерживаться жалом 300 с противоположной стороны от конца подачи присадочных материалов 150, то есть с противоположной стороны от сварочного конца. Части любых электродных покрытий, например покрытия 200 из флюса, также могут быть удалены или сняты (SC, см. Фиг. 1), чтобы жало 300 могло удерживать электрод 100 (например, металлический цилиндр 105), и тем самым обеспечивать электрическое соединение во время операции сварки.

[0025] Во время сварочного процесса электрод 100 может потребляться в точке сварки, то есть он может плавиться и становится частью сварочной ванны, как и покрытие 120 из флюса в вариантах осуществления электрода 100, включающих покрытие 120 из флюса. Для формирования сварочной ванны, например, подложка может плавиться, например, посредством электрической дуги, луча лазера или другого источника высокой энергии, используемого в сварочных методиках.

[0026] Металлический цилиндр 105 может содержать чистые металлы для формирования, например, желаемой композиции наплавляемого материала суперсплава. Подаваемые через ядро материалы 150, содержащие остаток компонентов для формирования желаемого наплавляемого материала суперсплава, могут подаваться через трубопровод 110, например, с помощью средства подачи, через сварочный конец электрода к точке сварки (1020) или рядом с ней. При расходовании металлического цилиндра, материалов, подаваемых в ядро, и возможно флюсового покрытия комбинация из расплавленного цилиндра 105 и подаваемых материалов 150 может привести к достижению желаемого состава наплавляемого материала из суперсплава.

[0027] Следует учитывать, что при работе покрытие 120 из флюса при расходовании образует защитный газ, который защищает сварочную ванну и окружение горячей области, и защищает подложку от атмосферного загрязнения. Флюс также входит в сварочную ванну и формирует шлак на ее поверхности, который может оставаться на сварном шве, когда сварочная ванна затвердеет в сварной шов. Следует иметь в виду, что присутствуя в объеме сварочной ванны, флюс может также раскислять и/или удалять присутствующие в ней примеси. Присутствуя на поверхности, шлак может также помогать формировать сварочную ванну во время отверждения. Покрытие 120 из флюса может быть нейтральным, то есть может практически не оказывать никакого влияния на наплавляемую композицию, или, альтернативно, флюс может быть активным, то есть вносить дополнения в наплавляемую композицию или компенсировать летучие потери во время обработки, например операции сварки.

[0028] Дополнительно или альтернативно способ 1000 может включать в себя удаление любого шлака, образующегося при плавлении покрытия 120 из флюса, с помощью любых средств для удаления шлака с поверхности подложки, известных в данной области техники и выбираемых с помощью тщательной оценки (1030).

[0029] После удаления шлака, если это необходимо, способ 1000 может включать в себя стадии для чистовой обработки подложки или компонента и подготовки компонента для использования в работе (1040). На этой стадии 1040 и после удаления любого шлака стадии чистовой обработки и подготовки могут включать в себя термическую обработку компонента, например в печи, например в высокотемпературной вакуумной печи. Дополнительно или альтернативно до или после термической обработки компонент может быть обработан начисто или подвергнут механообработке для удаления нежелательных структур с поверхности подложки, например посредством способа снятия стружки (например, с использованием абразивной струйной среды) и/или способа шлифования. Дополнительно или альтернативно эти завершающие стадии могут включать в себя неразрушающие методы испытания для проверки целостности компонента.

[0030] Следует иметь в виду, что любой вариант осуществления описанного в данном документе электрода 100 и способов его использования может быть применен к процессам сварки, в которых используются электроды, например, дуговой сварки металлическим электродом в газовой среде (GMAW), дуговой сварки порошковой проволокой (FCAW), или их комбинации. В то время как эти процессы используют смотанную проволоку с фиксированными материалами ядра заводского изготовления в проволоке, варианты осуществления электрода 100 могут быть смотанными, то есть сформированными в смотанной форме, содержащей металлическую оболочку/ядро, определяющие полую внутреннюю часть между ними. В этом варианте осуществления, и поскольку электрод 100 имеет смотанную форму, присадочные материалы могут подаваться к сварочному концу электрода 100 с помощью любого из средств 200 подачи, раскрытых в настоящем документе, включая вспомогательный/движущий газ–носитель, а также гибкий шнек, например волнистый полиуретановый шнур, который может вращаться для подачи присадочных материалов в окрестность точки обработки.

[0031] В то время как конкретные варианты осуществления были описаны подробно, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные модификации и альтернативы этим подробностям могут быть разработаны в свете общих идей настоящего изобретения. Например, элементы, описанные в связи с различными вариантами осуществления, могут быть объединены. Соответственно, конкретные раскрытые компоновки предназначены только для иллюстрации, и не должны рассматриваться как ограничивающие объем формулы изобретения или раскрытия, которые в полном объеме определяются прилагаемой формулой изобретения и любыми ее эквивалентами. Следует отметить, что термин «содержащий» не исключает других элементов или стадий, а использование неопределенных форм единственного числа не исключает множественности.

1. Сварочное устройство, содержащее

сварочный электрод (100), выполненный в виде металлической цилиндрической оболочки (105), имеющей сварочный конец и внутреннюю полость (110), в которой расположены порошкообразные присадочные материала (150), способные перемещаться относительно металлического цилиндра к сварочному концу электрода, и

средства подачи порошкообразных присадочных материалов, включающие газ-носитель и выполненные с возможностью перемещения упомянутых материалов относительно цилиндрической оболочки.

2. Устройство по п. 1, в котором материал цилиндрической оболочки содержит один или более элементов, выбранных из группы: железо, никель, кобальт, алюминий, титан.

3. Устройство по п. 1, в котором материал цилиндрической оболочки выполнен из металлического сплава, способного к экструзии, и содержит элементы, обеспечивающие получение желаемой композиции материала суперсплава, подаваемые порошкообразные присадочные материалы содержат остаток состава композиции для получения желаемой композиции материала суперсплава.

4. Устройство по п. 1, в котором газ-носитель представляет собой одно или более из аргона, гелия, водорода, диоксида углерода, кислорода, азота или из их смесей.

5. Устройство по п. 1, в котором средства подачи дополнительно содержат механическую сборку, содержащую шнек.

6. Устройство по п. 5, в котором шнек выполнен с возможностью втягивания в осевом направлении относительно электрода со скоростью выгорания электрода.

7. Устройство по п. 5, в котором шнек закреплен, а электрод выполнен с возможностью выдвижения относительно шнека.

8. Устройство по п. 1, в котором средства подачи содержат акустическую или ультразвуковую систему, выполненную с возможностью обеспечения акустических или ультразвуковых волн для облегчения подачи материалов к сварочному концу электрода.

9. Устройство по п. 1, в котором сварочный электрод дополнительно содержит покрытие (120) из флюса, окружающее металлическую цилиндрическую оболочку.

10. Сварочный электрод, содержащий:

цилиндрическую оболочку (105), окружающую внутреннюю полость (110), выполненную с возможностью подачи через нее порошкообразных присадочных материалов с помощью средств подачи (200), включающих газ-носитель, функционально связанных с упомянутой полостью, при этом оболочка содержит композицию из чистого металла или металлического сплава для формирования желаемой композиции наплавляемого материала суперсплава, а материалы, подаваемые через внутреннюю полость, содержат остальную часть компонентов композиции, для получения желаемой композиции суперсплава.

11. Сварочный электрод по п. 10, дополнительно содержащий:

покрытие из флюса, окружающее оболочку.

12. Сварочный электрод по п. 10, в котором чистый металл оболочки выбран из железа, никеля, кобальта, алюминия, титана.

13. Сварочный электрод по п. 10, в котором газ-носитель представляет собой одно или более из аргона, гелия, водорода, диоксида углерода, кислорода, азота или из их смесей.

14. Способ дуговой сварки, включающий:

плавление подложки и электрода для формирования композиции наплавляемого материала с помощью сварочного устройства по п. 1.

15. Способ по п. 14, в котором порошкообразные присадочные материалы подают через внутреннюю полость электрода с помощью газа-носителя и одного или более из механической сборки, акустической системы или ультразвуковой системы.

16. Способ по п. 14, в котором порошкообразные присадочные материалы подают через держатель электрода, размещенный на конце, противоположном сварочному концу электрода, при этом размер внутренней части держателя электрода соответствует размеру внутренней полости для облегчения подачи через нее порошкообразных присадочных материалов.

17. Способ по п. 15, в котором используют механическую сборку, содержащую шнек, выполненный с возможностью его втягивания в осевом направлении относительно электрода со скоростью выгорания электрода.

18. Способ по п. 15, в котором используют механическую сборку, содержащую закрепленный шнек, при этом электрод выдвигают относительно закрепленного шнека к сварочному концу электрода.

19. Способ дуговой сварки, включающий плавление частей подложки и электрода по п. 10 для формирования композиции наплавляемого материала суперсплава.

20. Способ по п. 19, в котором порошкообразные присадочные материалы подают через внутреннюю полость с помощью газа-носителя и одного или более из механической сборки, акустической системы или ультразвуковой системы.

21. Способ по п. 19, в котором порошкообразные присадочные материалы подают через держатель электрода, размещенный на конце, противоположном сварочному концу электрода, при этом размер внутренней части держателя электрода соответствует размеру внутренней полости для облегчения подачи через нее порошкообразных присадочных материалов.

22. Способ по п. 20, в котором используют механическую сборку, содержащую шнек, выполненный с возможностью его втягивания в осевом направлении относительно электрода со скоростью выгорания электрода.

23. Способ по п. 22, в котором используют механическую сборку, содержащую закрепленный шнек, при этом электрод выдвигают относительно закрепленного шнека к сварочному концу электрода.