堆焊方法以及激光堆焊装置的制作方法

专利名称：堆焊方法以及激光堆焊装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及堆焊方法以及用于该堆焊方法的激光堆焊装置，该堆焊方法在对被控制了晶体方位的合金产品的堆焊中，以使堆焊部的晶体生长方位与基材合金的凝固晶体方位相同的方式，一边进行凝固控制，一边形成层叠体。
背景技术：
在涡轮或喷气式发动机等的叶片施加有由离心力产生的大的应力。因此，使用由在离心力作用的方向具有晶体方位的单方向凝固合金或单晶合金形成的叶片。该单方向凝固叶片或单晶叶片若在高温、高负荷环境下长时间使用，会产生氧化减薄和裂纹等。并且， 在制造时有时也产生铸造缺陷。这些缺陷以往通过钎焊、TIG焊接、等离子焊接等进行修补。 当对单方向凝固叶片或单晶叶片进行以往的修补方法时，修补部不会成为与基材同方位的晶体。若晶体方位不同，则存在修补的强度降低的问题。因此，提出有如下技术去除损伤部位以使切除了缺陷部后的面朝向基材的优先晶体生长方向，然后，添加焊接材料，并且以较低的输出密度以使照射面处的光束直径比较大的方式在较长时间内照射激光束，从而生成深度与宽度之比小的熔融池来进行修补(专利文献1)。另外，提出有如下的技术同样切除缺陷部，添加焊接材料，并且一边利用加热焊炬使基材过热一边进行修补(专利文献2)。另外，提出有如下的方法以使熔融修补部处的凝固速度(G)与熔融边界处的温度梯度(G)之比(G/R)为产生方向凝固晶体的值 3X104°C MecAm2以上的方式控制热输入量和加热模式(专利文献3)。除此之外，作为使堆焊层叠的修补的方法，还有半重叠法(专利文献4)、以及隔开间隔在层叠的第一层的焊道之间层叠第二层的焊道的方法(专利文献5)等。上述控制修补部的晶体凝固的修补方法在使基材熔融的修补中是有效的方法。但是，在利用这些方法使层叠部的晶体方位与母材的晶体方位为同一方向进行层叠时，难以将最大温度梯度的方向控制为沿着母材晶体的优先生长方向的方向，发生晶体方位不同的晶体的可能性高。层叠的高度越高，这种倾向越明显。并且，在上述现有文献的修补方法中，如下的特性变化成为问题，在以相同条件对层叠的下层部和上层部进行施工的情况下，上层部中的温度梯度与在下层部进行施工情况相比大幅变化、树枝状晶体的幅度变大等。专利文献1日本特开平9-110596号公报专利文献2日本特开2001-269784号公报专利文献3日本特开2003-48053号公报专利文献4日本特开2008-264841号公报专利文献5日本特开2005-152918号公报

发明内容
本发明的目的在于，提供在单晶或单方向凝固晶体的母材形成晶体方向与母材晶体的晶体方向相同的层叠部的堆焊方法以及用于该堆焊方法的装置。本发明的堆焊方法在单晶或单方向凝固晶体的母材形成层叠部，其特征在于，将施工面作为上部，对母材侧利用冷却单元进行冷却，一边以使最大温度梯度沿着母材晶体的优先生长方向的方式预先对上述母材侧赋予温度梯度，一边从母材晶体的优先生长方向的延长线上进行堆焊，其中，上述母材侧是除了上述施工面的母材的其它部分。并且，本发明的激光堆焊装置，在单晶或单方向凝固晶体的母材形成层叠部，其特征在于，具有堆焊加工头，具备照射激光的焊接头、供给焊接材料的喷嘴和供给保护气体的喷嘴；以及用于强制地对母材侧进行冷却的冷却单元，其中，上述母材侧是除了施工面的母材的其它部分。根据本发明，能够在单晶或单方向凝固晶体的母材形成晶体方向与母材晶体的晶体方向相同的层叠部。


图1是本发明的第一实施例的激光堆焊装置的构成图。图2是第一实施例的间接地进行冷却的冷却夹具的一例和使用方法的说明图。图3是本发明的第二实施例的激光堆焊装置的构成图。图4是第二实施例的通过制冷剂的喷射而直接进行冷却的冷却夹具的一例和使用方法的说明图。图5是本发明的第三实施例的激光堆焊装置的构成图。标号说明1激光振荡器；2粉末供给源；3三维加工装置；4单晶活动叶片；5冷却夹具；6活动叶片固定夹具；7气体供给源；8制冷剂供给、循环及热交换装置；9直接冷却夹具；11光纤；21粉末供给管；41施工面；42燕尾槽部；51、302制冷剂供给及排出口 ；52制冷剂流路； 61活动叶片固定夹具的连结用螺栓母；71气体供给管；81制冷剂供给管；91制冷剂供给口 ；92制冷剂喷射流路；93、301制冷剂遮挡板；100粉末及保护气体供给喷嘴；200施工部的温度测定装置；210NC控制盘；211与三维NC加工机连接的信号线；212与激光振荡器连接的信号线；213与粉末供给装置连接的信号线；214与气体供给源连接的信号线；220分析温度信号并命令调整激光输出的控制器；221激光输出调整信号线；300制冷剂槽；400 激光；500粉末。
具体实施例方式第一，本发明的堆焊方法具有如下优点在施工中堆焊的熔融部凝固时，母材晶体的优先生长方向可以取最大温度梯度的方向。这关系到如下优点能够控制堆焊部的晶体方向使其与母材晶体的晶体方向相同。第二，本发明的堆焊方法具有如下优点即使层叠高度高，也能够确保温度梯度， 能够控制最大温度梯度的方向使其与母材晶体的优先生长方向为同一方向。第三，本发明的堆焊方法具有如下优点通过控制温度梯度，从而能够控制凝固速度，抑制树枝状晶体的粗大化。但是，为了在层叠的最上部中产生等轴晶，不限于此。并且，在母材存在有与优先生长方向不同方向的晶体的情况下，有可能以上述不同方向的晶体为核而生长，因此不限于此。以下，详细说明本实施方式。作为第一方式，该激光堆焊装置包括加工头，该加工头具备用于从母材晶体的优先生长方向的延长线上进行堆焊的焊接材料供给机构、热源照射机构和保护气体机构；以及冷却机构，该冷却机构对母材的比施工面稍微低的下部强制地进行冷却，并以使最大温度梯度沿着母材晶体的优先生长方向的方式预先对母材赋予温度梯度，由此实现了在单晶或单方向凝固晶体的母材上形成生长方向与母材晶体相同的层叠部的目的。作为第二方式，该激光堆焊装置包括加工头，该加工头具备用于从母材晶体的优先生长方向的延长线上进行堆焊的焊接材料供给机构、热源照射机构和保护气体机构；以及冷却机构，该冷却机构对施工部的稍微低的下部强制地进行冷却，并以使最大温度梯度沿着母材晶体的优先生长方向的方式预先对母材赋予温度梯度，由此实现了在层叠高度增高的情况下形成生长方向与上述母材晶体相同的层叠部这样的目的。实施例1图1示出实施例1的激光堆焊装置。1表示激光振荡器，11表示光纤，12表示激光焊接头，2表示粉末供给装置，21表示粉末供给管，3表示三维NC加工装置，4表示单晶活动叶片，5表示冷却夹具，51表示制冷剂导入及排出口，6表示活动叶片固定夹具，7表示气体供给源，71表示气体供给管，8表示制冷剂供给、循环及热交换装置，81表示制冷剂供给管， 100表示粉末及保护气体供给喷嘴，200表示施工部的温度测定装置，210表示NC控制盘， 211表示与三维NC加工机连接的信号线，212表示与激光振荡器连接的信号线，213表示与粉末供给装置连接的信号线，214表示与气体供给源连接的信号线，220表示分析温度信号并命令调整激光输出的控制器，211表示激光输出调整信号线。并且，400表示激光的照射的一例，500表示粉末供给的一例。激光振荡器1、粉末供给装置2、三维NC加工机3以及气体供给源7按照NC控制盘210的程序而动作。这里，三维NC加工机可以使用XY工作台的类型、使用机器人手臂的类型等，对于操作方法没有限制。利用激光振荡器1振荡的激光通过光纤11并通过激光焊接头12照射至单晶活动叶片4。从粉末供给装置2送来的粉末通过粉末供给管21，并通过装配于激光焊接头12的粉末及保护气体供给喷嘴100而朝向激光照射部喷出。激光焊接头12装配于三维NC加工机3，一边照射激光400，一边供给粉末500，并根据施工形状操作激光焊接头，由此，进行与形状吻合的堆焊。从制冷剂供给循环及热交换装置8通过制冷剂供给管81使制冷剂通过与单晶活动叶片4紧密接触的冷却夹具5，由此间接地对活动叶片4强制进行冷却，并预先赋予温度梯度。在制冷剂夹具中，通过制冷剂导入及排出口 51流过制冷剂流路52，在单晶活动叶片 4的施工面与母材侧之间产生温度梯度。并且，还可以利用施工部的温度检测装置200将温度变换为电压值，利用温度信号的分析装置220发出这样的命令信号若高于预定温度则降低激光输出、若低于预定的温度则提高激光输出，并通过信号线221对激光振荡器1进行控制。图2示出用于在实施例1的激光堆焊时进行强制冷却的冷却夹具5的使用方法。4表示单晶活动叶片，41表示施工面，42表示燕尾槽部，5表示冷却夹具，51表示制冷剂导入及排出口，52表示制冷剂流路，6表示活动叶片固定夹具，61表示活动叶片固定夹具的连结用螺栓母。单晶活动叶片4固定于活动叶片固定夹具6，在施工部的母材侧以与活动叶片紧密接触的方式装配冷却夹具5。此时，若以包围施工面的方式装配冷却夹具5，则在单晶活动叶片4的与母材晶体的优先生长方向垂直的方向也产生最大温度梯度，因此，需要将冷却夹具5装配在单晶活动叶片的母材侧。从图1的制冷剂供给、循环及热交换装置8供给的制冷剂从制冷剂导入口 51通过制冷剂流路52，间接地在单晶活动叶片4的施工面和母材侧之间产生温度梯度。通过制冷剂流路52的制冷剂从制冷剂排出口 51返回到制冷剂供给、循环及热交换装置8，通过制冷剂循环，能够强制地对单晶活动叶片进行冷却。实施例2图3示出实施例2的激光堆焊装置。其结构是在实施例1的结构中将制冷剂夹具 5变更为直接制冷剂夹具9的结构。图4示出用于在实施例2的激光堆焊时进行强制冷却的直接冷却夹具9的使用方法。4表示单晶活动叶片，41表示施工面，42表示燕尾槽部，9表示直接冷却夹具，91表示制冷剂导入口，92表示制冷剂喷射流路，93表示制冷剂遮挡板，51表示制冷剂导入及排出口， 52表示制冷剂流路，6表示活动叶片固定夹具，61表示活动叶片固定夹具的连结用螺栓母。 单晶活动叶片4固定于活动叶片固定夹具6，在施工部的母材侧以与活动叶片紧密接触的方式装配直接冷却夹具9。此时，若以包围施工面的方式喷射制冷剂，则在与单晶活动叶片 4的母材晶体的优先生长方向垂直的方向也产生最大温度梯度，因此，需要将直接冷却夹具 9装配得与比施工面相比更靠母材侧。从图3的制冷剂供给、循环及热交换装置8供给的制冷剂从制冷剂导入口 91通过制冷剂喷射流路92，直接喷射于单晶活动叶片4的与施工面相比更靠近母材侧，由此，在施工面与母材之间产生温度梯度。此时，当喷射的制冷剂流向施工面时会妨碍堆焊，因此，通过以与单晶活动叶片4紧密接触的方式配置制冷剂遮挡板93， 由此能够防止喷射的制冷剂流向施工面。实施例2中示出的直接冷却夹具9使用了还具备制冷剂遮挡板93的构造。实施例3图5示出实施例3的激光堆焊装置。该结构是在实施例1的结构中将制冷剂夹具 5变更为制冷剂槽300的结构。从制冷剂供给、循环及热交换装置8供给的制冷剂从制冷剂导入口 302导入到制冷剂槽300，通过将固定于活动叶片固定夹具6的单晶合金4配置于制冷剂槽300内并使其浸渍于制冷剂中，从而直接对单晶活动叶片4进行强制冷却，由此，在施工面与母材之间产生温度梯度。此时，若以包围施工面的方式将单晶活动叶片4浸渍于制冷剂中，则在单晶活动叶片4的与母材晶体的优先生长方向垂直的方向也产生最大温度梯度，因此，需要装配在单晶活动叶片的母材侧而不是施工面上。并且，由于制冷剂的蒸发、或将制冷剂槽安装于XY工作台进行操作时可能引起的制冷剂的拍打而导致制冷剂对施工部发生干涉时会妨碍堆焊，因此，通过以与单晶活动叶片4紧密接触的方式配置制冷剂遮挡板301，由此能够防止上述状况。制冷剂从制冷剂排出口 302返回到制冷剂供给、循环及热交换装置8，通过制冷剂循环，能够强制地对单晶活动叶片进行冷却。
权利要求
1.一种堆焊方法，该方法在单晶或单方向凝固晶体的母材形成层叠部，其特征在于， 将施工面作为上部，对母材侧利用冷却单元进行冷却，一边以使最大温度梯度沿着母材晶体的优先生长方向的方式预先对上述母材侧赋予温度梯度，一边从母材晶体的优先生长方向的延长线上进行堆焊，其中，上述母材侧是除了上述施工面的母材的其它部分。
2.根据权利要求1所述的堆焊方法，其特征在于， 使用激光焊接反复进行堆焊来进行层叠。
3.根据权利要求1所述的堆焊方法，其特征在于，使具备制冷剂流路的冷却夹具紧密接触于母材侧，通过使制冷剂流过夹具流路内，一边间接地对母材侧进行冷却，一边进行堆焊。
4.根据权利要求1所述的堆焊方法，其特征在于，使母材侧浸渍于制冷剂中、或者对上述母材的母材侧喷射制冷剂，由此一边直接对母材侧进行冷却，一边进行堆焊。
5.根据权利要求1所述的堆焊方法，其特征在于，通过使制冷剂流过上述母材内的流路，一边直接对母材侧进行冷却，一边进行堆焊。
6.根据权利要求4所述的堆焊方法，其特征在于，一边通过遮挡机构使制冷剂不直接对施工部发生干涉，一边进行堆焊。
7.根据权利要求3所述的堆焊方法，其特征在于，在使用于预先对母材侧赋予温度梯度的制冷剂循环时，一边通过热交换机构调整制冷剂温度一边进行冷却，并且进行堆焊。
8.根据权利要求1所述的堆焊方法，其特征在于，为了将焦点偏移距离保持为恒定，测定刚刚堆焊后的层叠高度，通过对测定数据进行平均化处理来确定下一层的施工位置，反复进行堆焊。
9.一种激光堆焊装置，在单晶或单方向凝固晶体的母材形成层叠部，其特征在于，具有堆焊加工头，具备照射激光的焊接头、供给焊接材料的喷嘴和供给保护气体的喷嘴；以及用于强制地对母材侧进行冷却的冷却单元， 其中，上述母材侧是除了施工面的母材的其它部分。
10.根据权利要求9所述的激光堆焊装置，其特征在于，该激光堆焊装置还具备冷却装置，该冷却装置用于使具备制冷剂流路的冷却夹具紧密接触于母材侧，通过使制冷剂流到夹具流路内的单元来间接地对母材侧进行强制冷却。
11.根据权利要求9所述的激光堆焊装置，其特征在于，该激光堆焊装置还具备冷却装置，该冷却装置用于通过使母材侧浸渍于制冷剂槽的制冷剂中的单元，来直接对母材侧进行强制冷却。
12.根据权利要求9所述的激光堆焊装置，其特征在于，该激光堆焊装置还具备冷却装置，该冷却装置用于通过对母材侧喷射制冷剂的单元， 来直接对母材侧进行冷却。
13.根据权利要求11所述的激光堆焊装置，其特征在于，该激光堆焊装置具备遮挡机构，以使制冷剂不直接对施工部发生干涉。
14.根据权利要求9所述的激光堆焊装置，其特征在于，该激光堆焊装置具备用于使制冷剂循环的装置、和在使制冷剂循环时通过热交换而调整制冷剂温度的机构。
15.根据权利要求9所述的激光堆焊装置，其特征在于，该激光堆焊装置具备测定刚刚堆焊后的层叠高度的机构、和对测定数据进行平均化处理的逻辑电路机构，该激光堆焊装置还具备逻辑电路及控制装置，逻辑电路及控制装置根据平均化后的位置信息进行位置确定，以使施工位置与照射激光的焊接头的距离为预定长度。
全文摘要
本发明提供堆焊方法以及激光堆焊装置，在堆焊方法中，在单晶或单方向凝固晶体的母材形成层叠部，以使堆焊部的晶体方位与母材为同一方向的方式进行层叠。该堆焊方法在单晶或单方向凝固晶体的母材形成层叠部，对上述母材的比施工面稍微低的下部进行强制冷却，以使最大温度梯度沿着母材晶体的优先生长方向的方式预先对上述母材侧赋予温度梯度，并且从母材晶体的优先生长方向的延长线上进行堆焊。
文档编号B23K26/42GK102211254SQ201110082120
公开日2011年10月12日 申请日期2011年4月1日 优先权日2010年4月1日
发明者塚本武志, 宫城雅德, 川中启嗣 申请人:株式会社日立制作所