專利名稱：在焊接接頭中引入壓縮應力的方法
技術(shù)領域：
本文公開的主題涉及在焊接接頭中引入壓縮應力的方法，并且更具體而言，涉及在焊接接頭的焊趾中弓I入壓縮應力的方法。
背景技術(shù)：
疲勞對于焊接接頭來說是普遍的失效模式。焊接接頭中的裂紋往往發(fā)源自焊接接頭的焊趾。焊趾是在焊接接頭的表面上、在焊接金屬和基體金屬之間的過渡點處的區(qū)域。焊趾具有高的應カ集中以及殘余應力，它們均會促使疲勞頻繁發(fā)生。疲勞的一個實例發(fā)生在連結(jié)燃氣輪機的管道與燃料噴嘴凸緣的焊接接頭中。在一個實例中，可對管道和燃料噴嘴 凸緣使用304不銹鋼。在燃料的饋送模式在燃氣輪機的運行期間改變時，可產(chǎn)生高頻振動， 這可導致管道和燃料噴嘴上有再循環(huán)應力。此外，焊接接頭也還會經(jīng)受燃氣輪機的運行引起的振動。不斷暴露于熱沖擊和振動可促使焊接接頭發(fā)生疲勞。目前存在若干種用于提高焊接接頭的疲勞強度和耐用性的方法，但是，所有這些方法各自都具有缺陷。例如，在ー種方法中，對焊接接頭執(zhí)行噴丸硬化來改進疲勞強度。但是，可能難以對較小的焊接接頭或渦輪的某些區(qū)域執(zhí)行噴丸硬化。在另ー種方法中，可調(diào)節(jié)諸如焊接電流、電弧電壓、焊接速度或線材直徑或伸張度的焊接エ藝參數(shù)來改進焊接。但是，有時由于各種原因而不可調(diào)節(jié)焊接エ藝參數(shù)中的ー些。在另ー種方法中，可將諸如整個燃料噴嘴和燃料噴嘴凸緣的整個組件置于爐中進行退火。但是，使整個燃料噴嘴組件退火可為代價高的。因此，存在對降低焊接接頭由于疲勞而失效的可能性的、成本有效的エ藝的需要。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了 ー種在具有至少ー個焊趾的焊接接頭中弓丨入壓縮應力的方法。該方法包括用電阻絲覆蓋焊接接頭的焊趾的步驟。該方法還包括用電阻絲加熱焊趾的步驟，其中，將焊趾加熱到選定溫度。該方法包括將焊趾保持在選定溫度下達選定時間量的步驟。該方法包括從焊趾上移除電阻絲的步驟。該方法包括用冷卻介質(zhì)使焊趾驟冷的步驟。在驟冷期間，壓縮應カ被引入焊趾。根據(jù)結(jié)合附圖得到的以下描述，這些和其它優(yōu)點與特征將變得更加顯而易見。


在說明書的結(jié)論部分處的權(quán)利要求中特別指出和明確聲明了被視為本發(fā)明的主題。根據(jù)結(jié)合附圖得到的以下詳細描述，本發(fā)明的前述和其它特征與優(yōu)點是顯而易見的，其中圖I是連結(jié)燃料噴嘴和凸緣的焊接接頭的示例性圖示；圖2是在焊趾處被電阻絲覆蓋的圖I中的焊接接頭的圖示；以及圖3是示出了在焊趾處引入壓縮應力的方法的流程圖。
詳細描述以參照附圖的實例的方式闡明了本發(fā)明的實施例以及優(yōu)點和特征。部件列表10焊接接頭20 管道22 凸緣30、32 焊趾34焊接金屬
36基體金屬38基體金屬39凸起部40、42 電阻絲50熱電偶
具體實施例方式圖I是焊接接頭10的示例性圖示。在所顯示的示例性實施例中，焊接接頭10將管道20和凸緣22連結(jié)在一起，其中管道20和凸緣22是燃氣輪機組件(未顯示)的一部分。應當注意，雖然圖I示出了焊接接頭10將渦輪的噴嘴和凸緣連結(jié)一起，但是也可在不同的應用中采用焊接接頭10。焊接接頭10包括兩個焊趾30和32。焊趾30、32表示焊接接頭10的在焊接接頭10的焊接金屬34和基體金屬之間的區(qū)域。具體而言，焊趾30表示焊接接頭10的在焊接金屬34和管道20的基體金屬36之間的區(qū)域。焊趾32表示焊接接頭20的在焊接金屬34和凸緣22的基體金屬38之間的區(qū)域。焊接接頭10具有外表面S，外表面S包括在焊接管道20與凸緣22的期間產(chǎn)生的一系列的凸起部39。在一個實施例中，通過電弧焊接來將管道20和凸緣22焊接在一起，但是要理解，也可使用其它類型的焊接エ藝。通過將管道20和凸緣22焊接在一起來產(chǎn)生焊趾30、32。在通過諸如電弧焊接的焊接エ藝而產(chǎn)生焊趾30、32之后，然后將焊趾30、32加熱到選定溫度，并且隨后用冷卻介質(zhì)使其驟冷。對焊趾30、32進行加熱和驟冷會對焊趾30、32引入壓縮應力。具體而言，圖2是被電阻絲40、42加熱的焊接接頭10的圖示。焊趾30 (在圖I中顯示)被一定長度的電阻絲40覆蓋，而焊趾32 (在圖I中顯示)則被一定長度的電阻絲42覆蓋。電阻絲40和42是通過電流控制裝置(未顯示)而連接到功率供應上的加熱元件線材。電阻絲40、42是典型地用于高功率電阻器和加熱元件的任何類型的電阻絲。例如，電阻絲40、42可由尼赫羅姆合金 或坎塔爾合金構(gòu)建而成，但是要理解，電阻絲40、42也可由其它類型的合金構(gòu)建而成。還可將熱電偶50置于電阻絲40、42中的一個或兩者的附近，以監(jiān)測焊趾30和32的溫度。熱電偶50與數(shù)據(jù)采集裝置(未顯示)連通，其中，用戶通過數(shù)據(jù)采集裝置來監(jiān)測焊趾30和32的溫度。監(jiān)測焊趾30、32的溫度確保了焊趾30、32的溫度不超過選定溫度。選定溫度表示將拉伸應カ引入焊接接頭10時所處的具體溫度范圍。具體而言，參照圖1-2兩者，在將焊接接頭10加熱到選定溫度時，焊趾30、32熱膨脹。在焊趾30、32熱膨脹吋，管道20的包圍的基體金屬36和凸緣22的基體金屬38壓縮焊趾30、32。因而，焊趾30、32的應變則被包圍的管道20和凸緣22約束。因此，在焊趾30、32膨脹時，會超過焊趾30、32處的焊接接頭10的材料的彈性極限。然后將焊趾30、32保持在選定溫度下達選定時間量。然后用冷卻介質(zhì)(諸如例如壓縮空氣或霧化水)使焊接接頭10驟冷或迅速冷卻。壓縮空氣典型地用于較小的焊接接頭，而霧化水則典型地用于較大的焊接接頭。在焊趾30、32被冷卻時，位于焊趾30、32中的金屬材料會收縮，這會產(chǎn)生位伸應變。如果通過驟冷來迅速冷卻焊趾30、32，則位于焊趾30、32中的拉伸應變將超過在被加熱到特定的溫度的期間引起的壓縮應變。因此，在焊趾30、32被冷卻到室溫時，在焊趾30、32中會產(chǎn)生殘余應變。焊接接頭10大體在應變方面受到控制，這導致應變在室溫處趨向于大約零。因而，將在焊趾30、32中產(chǎn)生殘余壓縮應力。應當注意，選定溫度應當足夠高，使得應當超過焊接接頭10的材料的彈性極限，從而導致壓縮的產(chǎn)生。在加熱之后使焊趾30、32驟冷允許焊趾30、32在沒有冷卻介質(zhì)的情況下正常冷卻，這典型地導致在焊趾30、32中引入殘余拉伸應カ而非壓縮應力，這又可在實際上降低焊接接頭10的疲勞壽命。在一個示例性實施例中，管道20和凸緣22各自由不銹鋼合金構(gòu)建而成。在這個實施例中，選定溫度的范圍為大約400° F至大約500° F，這是將壓縮應力引入到焊接接 頭10中所需的溫度。將焊接接頭10保持在選定溫度下達選定時間量，這為大約五分鐘至大約十分鐘。然后，用冷卻介質(zhì)使焊接接頭10驟冷而達到大約室溫。在一個實施例中，使焊接接頭10驟冷。雖然論述了不銹鋼合金，但是要理解，焊接接頭10也可由其它類型的金屬基材料構(gòu)建而成。選定溫度取決于構(gòu)建焊接接頭10的具體材料，并且可據(jù)此來調(diào)節(jié)選定溫度，以引入壓縮應力，壓縮應力被引入在焊接接頭10中?，F(xiàn)在參照圖2，已經(jīng)打磨了焊接接頭10的外表面S，以基本移除一系列的凸起部39，使得焊趾30、32(在圖I中顯示)具有大體平滑的輪廓。打磨外表面S易于在焊接接頭10中導致有較低的應カ集中。在一個示例性實施例中，用角向打磨機來打磨外表面S，但是要理解，也可使用其它裝置來打磨焊接接頭10?，F(xiàn)在將論述在焊接接頭10引入壓縮應力的方法。圖3是示出了在焊接接頭10中引入壓縮應力的方法200的エ藝流程圖。方法200在步驟202處開始，其中提供了焊接接頭10?；仡^參照圖1，焊接接頭10將渦輪組件(未顯示)的管道20和凸緣22連結(jié)在一起。焊接接頭10包括兩個焊趾30和32。焊趾30表示焊接接頭10的在焊接金屬34和管道20的基體金屬36之間的區(qū)域。焊趾32表示焊接接頭20的在焊接金屬34和凸緣22的基體金屬38之間的區(qū)域。焊接接頭10具有外表面S，外表面S包括在焊接管道20與凸緣22的期間產(chǎn)生的一系列的凸起部39。然后方法200可前進到步驟204。在步驟204中，將焊趾30、32的外表面S打磨成大體平滑的輪廓。具體而言，參照圖1，基本移除了該一系列的凸起部39，從而留下大體平滑的外表面S。然后方法200可前進到步驟206。在步驟206中，用電阻絲40和42覆蓋焊趾30和32。參照圖1-2，焊趾30被一定長度的電阻絲40覆蓋，而焊趾32則被一定長度的電阻絲42覆蓋。電阻絲40和42是通過電流控制裝置(未顯示)而連接到功率供應上的加熱元件線材。然后方法200可前進到步驟 208。在步驟208中，將焊趾30和32加熱到選定溫度。選定溫度表示將拉伸應カ引入焊接接頭10時所處的具體溫度范圍。在一個示例性實施例中，管道20和凸緣22各自由不銹鋼合金構(gòu)建而成，并且選定溫度的范圍為大約400° F至大約500° F。然后方法200可前進到步驟210。在步驟210中，用熱電偶50來監(jiān)測焊趾30、32的溫度?；仡^參照圖2，將ー個或多個熱電偶50置于電阻絲40、42中的一個或兩者的附近，以監(jiān)測焊趾30和32的溫度。熱電偶50與數(shù)據(jù)采集裝置(未顯示)連通，其中用戶通過數(shù)據(jù)采集裝置來監(jiān)測焊趾30和32的溫度。監(jiān)測焊趾30、32的溫度確保了焊趾30、32的溫度不超過選定溫度。然后方法200可前進到步驟212。在步驟212中，從焊趾30和32上移除電阻絲40和42。然后方法200可前進到步驟 214。在步驟214中，用冷卻介質(zhì)使焊趾30和32驟冷。冷卻介質(zhì)大體是用來使金屬基材料驟冷或迅速冷卻的任何類型的介質(zhì)。用冷卻介質(zhì)使焊接接頭10驟冷而達到大約室溫。使焊接接頭10驟冷會導致焊趾30、32被焊接接頭10的包圍的區(qū)域壓縮。壓縮焊趾30、32會導致在焊趾30、32中引起壓縮應力。壓縮應カ導致焊趾30、32的疲勞壽命増加。然后方法200可結(jié)束?！るm然結(jié)合僅有限數(shù)量的實施例來詳細描述本發(fā)明，但是應當容易地理解，本發(fā)明不限于這樣公開的實施例。相反，可修改本發(fā)明，以結(jié)合此前未描述但與本發(fā)明的精神和范圍相當?shù)娜魏螖?shù)量的變型、改變、替代或等效布置。另外，雖然描述了本發(fā)明的多種實施例，但是要理解，本發(fā)明的各方面可包括所描述的實施例中的僅ー些。因此，本發(fā)明不應視為由前述描述限制，而是僅由所附權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.ー種在具有至少ー個焊趾的焊接接頭中引入壓縮應力的方法，包括 用電阻絲覆蓋所述焊接接頭的所述至少一個焊趾； 用所述電阻絲加熱所述至少一個焊趾，其中，將所述至少ー個焊趾加熱到選定溫度； 將所述至少ー個焊趾保持在所述選定溫度下達選定時間量； 從所述至少ー個焊趾上移除所述電阻絲；以及 用冷卻介質(zhì)使所述至少ー個焊趾驟冷，借此在驟冷期間將壓縮應カ引入所述至少ー個焊足止。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法包括在用電阻絲覆蓋所述至少一個焊趾之前，將所述焊接接頭的外表面打磨成大體平滑的輪廓。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在在于，所述方法包括應用壓縮空氣和霧化水中的至少ー個來作為所述冷卻介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法包括用熱電偶來監(jiān)測所述至少一個焊趾的溫度，其中，將所述熱電偶置于所述至少ー個焊趾的附近。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在干，所述方法包括確定所述至少一個焊趾的所述選定溫度是否被超過。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述選定溫度的范圍為大約400°F至大約 500° F。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述選定時間量為大約五分鐘至大約十分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法包括將所述焊趾冷卻到大約室溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述焊接接頭由不銹鋼合金構(gòu)建而成。
10. 一種在焊接接頭中弓I入壓縮應力的方法，所述焊接接頭具有至少ー個焊趾，并且所述焊接接頭連結(jié)燃氣輪機發(fā)動機的噴嘴和凸緣，所述方法包括 將所述焊接接頭的外表面打磨成大體平滑的輪廓； 用電阻絲覆蓋所述焊接接頭的所述至少一個焊趾； 用所述電阻絲加熱所述至少一個焊趾，其中，將所述至少ー個焊趾加熱到選定溫度； 將所述至少ー個焊趾保持在所述選定溫度下達選定時間量； 用熱電偶來監(jiān)測所述至少一個焊趾的溫度，其中，將所述熱電偶置于所述至少ー個焊趾的附近； 從所述至少ー個焊趾上移除所述電阻絲；以及 用冷卻介質(zhì)使所述至少一個焊趾驟冷到室溫，其中，在驟冷期間，壓縮應カ被引入所述至少ー個焊趾。
全文摘要
本發(fā)明涉及在焊接接頭中引入壓縮應力的方法。提供了一種在具有至少一個焊趾的焊接接頭中引入壓縮應力的方法。該方法包括用電阻絲覆蓋焊接接頭的焊趾的步驟。該方法還包括用電阻絲加熱焊趾的步驟，其中，將焊趾加熱到選定溫度。該方法包括將焊趾保持在選定溫度下達選定時間量的步驟。該方法包括從焊趾上移除電阻絲的步驟。該方法包括用冷卻介質(zhì)使焊趾驟冷的步驟。在驟冷期間，壓縮應力被引入焊趾。
文檔編號B23K37/00GK102672372SQ20121005905
公開日2012年9月19日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者J·徐 申請人:通用電氣公司