燕英 孫麗燕 盧海濤

（中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

國(guó)外某公司生產(chǎn)的XX2500燃汽輪機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)中占有重要的地位，主要用于航船上。密封空氣后支撐為燃汽輪機(jī)燃燒室中一個(gè)重要零件，該研制零件是轉(zhuǎn)包的新一類鈑金產(chǎn)品，此零件為高溫合金薄壁焊接構(gòu)件。為滿足航空、航天薄壁焊接結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中對(duì)幾何型面的嚴(yán)格技術(shù)要求，控制高溫合金在焊接過(guò)程中的變形和殘余應(yīng)力已成為新件研制中重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。

1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求

零件的結(jié)構(gòu)工藝特點(diǎn)：該零件它由鈑金件3件，機(jī)加安裝邊2件焊接形成，它的特點(diǎn)是薄壁易變形，剛性差。零件實(shí)物見(jiàn)圖1。

技術(shù)要求：根據(jù)外方標(biāo)準(zhǔn)要求零件焊接后鈑金件與機(jī)加件同軸度0.4mm，各鈑金件之間的平行度垂直度變化不大于0.2mm。

尺寸要求：焊接時(shí)需對(duì)零件的變形進(jìn)行控制，為車加工做好準(zhǔn)備。鈑金件固溶熱處理后焊接變形徑向保證φ404.87±0.25，小安裝邊面輪廓度保證0.2mm，整體高度需控制在75.7±0.3mm。

圖1 密封空氣后支撐

2 材料

圖2 密封空氣后支撐焊接

密封空氣后支撐主體材料為Ⅰnconel 718鎳鐵基合金,該材料是沉淀硬化形高溫合金，含AL、Ti較高，在低溫和700°C以下具有高的屈服強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，在650-760°C具有良好的塑性。無(wú)論在固溶狀態(tài)或失效狀態(tài)都具有良好的成型性和焊接性，由于此合金的線膨脹系數(shù)很大，焊接后易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。該零件焊接部位厚度為1.27±0.076mm，屬于高溫合金薄壁焊接構(gòu)件。

3 零件焊接工藝方案

3.1 工藝安排：考慮到如果安裝邊預(yù)留余量，組合焊接及熱處理后零件的變形，會(huì)使后續(xù)的機(jī)械加工的安裝邊壁厚不一致，而壁厚尺寸為關(guān)鍵尺寸，為減少后續(xù)機(jī)械加工的難度，采用局部無(wú)余量安裝邊進(jìn)行焊接，焊接后熱處理，再通過(guò)校正模具及校正夾具消除固溶熱處理后焊接變形。

圖3 零件焊接夾具

主要工藝程序：焊前清理-裝配定位焊-焊接-焊縫清理-擦拭腐蝕-熒光檢查-去應(yīng)力熱處理-校型-熒光檢查-固溶失效熱處理-鉗工校正-機(jī)械加工

3.2 焊接夾具準(zhǔn)備是零件焊接工藝準(zhǔn)備的重要環(huán)節(jié)。此零件屬于薄壁鈑金焊接件，焊接時(shí)極易失穩(wěn)而產(chǎn)生焊接變形。因此焊接夾具設(shè)計(jì)采用了集氬氣保護(hù)、銅塊冷卻、定位脹緊的多功能結(jié)構(gòu)。焊接時(shí)用剛性固定法和散熱法控制焊接變形，保證零件焊接后的機(jī)械加工及錯(cuò)位要求，使保持很好的同心度，并采取反變形法來(lái)控制焊接變形。

4 零件焊接及存在問(wèn)題的解決方案

4.1 零件焊接

選用能量比較集中的焊接方法，采用了氬弧焊機(jī)器人，定位焊后用示教法進(jìn)行編程，沿圓周采20個(gè)點(diǎn)，固定運(yùn)行軌跡，將具體焊接參數(shù)導(dǎo)入焊接程序中。按此參數(shù)焊接零件，經(jīng)檢測(cè)焊縫滿足技術(shù)要求。

4.2 存在問(wèn)題及解決方案

前期焊接夾具設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了對(duì)瞬態(tài)熱變形及殘余變形的控制，但對(duì)伴隨的殘余應(yīng)力估計(jì)不足，固熔失效后發(fā)生了鈑金件發(fā)生了翹曲變形，前、后安裝邊的平面度及平面度變化較大，超出了焊后0.3mm要求，達(dá)到了0.7mm，零件的徑向、軸向尺寸都發(fā)生了收縮變形，尺寸超差。

考慮薄壁鈑金件剛性相對(duì)不足，連續(xù)大電流焊接散熱不均導(dǎo)致翹曲，另外不均勻快速加熱和冷卻過(guò)程必然引起焊接區(qū)發(fā)生不均衡的應(yīng)力應(yīng)變變化，這種不均衡的應(yīng)力應(yīng)變是導(dǎo)致焊后形成殘余應(yīng)力和應(yīng)變的主要原因。盡管在夾具設(shè)計(jì)時(shí)采取了相應(yīng)措施，焊接過(guò)程當(dāng)中焊縫收縮受到焊接夾具的限制不能自由收縮，但是殘余應(yīng)力卻無(wú)法消除，如果殘余變形減少，則殘余應(yīng)力會(huì)增大，熱處理后殘余應(yīng)力釋放必然引起尺寸的變化。

調(diào)整單件鈑金件尺寸和增加熱處理夾具成本較高，為了克服由焊縫收縮引起的變形及最終固溶熱處理應(yīng)力釋放引起的尺寸超差，現(xiàn)場(chǎng)采用機(jī)械校正法保證零件的設(shè)計(jì)尺寸和技術(shù)條件，見(jiàn)圖四。這種“里脹外收”的結(jié)構(gòu)采取了限位控制徑向尺寸，最終解決了單件焊接收縮量預(yù)留不夠的問(wèn)題。

圖4 零件限位校正圖

為了保證小安裝邊面輪廓度0.2mm，整體高度需控制在75.7±0.3mm的要求，前期設(shè)計(jì)制造了校正夾具。在保證零件相關(guān)尺寸不變的前提下對(duì)零件的高度尺寸及小安裝邊局部輪廓度進(jìn)行校正，有效地控制了縱向焊接、熱處理變形造成的超差尺寸。

結(jié)語(yǔ)

焊接變形是焊接件加工中的一大難題，傳統(tǒng)控制應(yīng)力和變形方法只能減小變形或在一定程度上降低殘余應(yīng)力水平，所以還需采取一定的補(bǔ)救措施。但是固溶時(shí)效熱處理后經(jīng)過(guò)模具校正，鉗工矯形，零件內(nèi)部?jī)?nèi)應(yīng)力重新產(chǎn)生，應(yīng)力隨機(jī)械加工不斷釋放，極易造成零件超差。增加去應(yīng)力熱處理希望通過(guò)隨后的校正工序摸索出預(yù)收縮量、預(yù)變形量，使零件在固溶時(shí)效熱處理后機(jī)械加工前既符合尺寸要求又無(wú)應(yīng)力殘留。

[1]鄧明.沖壓成型工藝及模具[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和對(duì)策[M].北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1983.