無余量高壓機(jī)匣安裝座焊接的研究

李塞川 尹小波 楊樹余

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

GE90航空發(fā)動(dòng)機(jī)是美國通用電氣公司研制的高涵道比商用超大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。高壓渦輪靜子機(jī)匣是GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)機(jī)匣安裝座焊接組合件，圖紙對(duì)焊接質(zhì)量和尺寸有嚴(yán)格的要求，因此如何控制焊接質(zhì)量，保證設(shè)計(jì)尺寸和技術(shù)條件是完成焊接工作的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及要求

零件的結(jié)構(gòu)為分別在8個(gè)機(jī)匣外壁的小孔上氬弧焊焊接8個(gè)安裝座,零件實(shí)物見圖1。

技術(shù)要求：零件焊接后安裝座位置度0.76mm和槽口垂直度2.0mm。

尺寸要求:安裝座端面到機(jī)匣中心的距離601.218±0.76mm；安裝座熱處理焊接變形后直徑56.97min。

焊接質(zhì)量要求:焊縫100%焊透、100%熔合;焊縫錯(cuò)邊不大于0.5 mm；焊縫正反面余高不大于0.76 mm;焊后進(jìn)行熒光檢查焊道表面，應(yīng)無裂紋線性顯示等缺陷。

圖1 高壓渦輪靜子機(jī)匣

圖2 夾具與零件裝配示意圖

2 材料

機(jī)匣與安裝座的材料均為為鎳基高溫合金，機(jī)匣材料 Rene41是沉淀硬化形鎳基變形高溫合金，含 Al、Ti較高，在 650℃-980℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和較好的抗氧化性能；安裝座材料Inconel625是以Mo，Nb為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化鎳基變形高溫合金，具有較高的抗氧化性，抗腐蝕性。兩者均具有較好的焊接性能。焊絲材料為設(shè)計(jì)圖規(guī)定的AMS5837,成分與Inconel625基本一致,化學(xué)成分見表1。

表1 材料化學(xué)成分（重量%）

3 零件焊接工藝方案

3.1 工藝安排

考慮到如果安裝座預(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)械加工的安裝座壁薄厚不一致，而且工藝路線安排極其困難，加工成本極高；故采用無余量安裝座進(jìn)行焊接，焊接后進(jìn)行熱處理，校正安裝座變形等工序保證設(shè)計(jì)要求。

焊接安裝座主要工藝順序：焊前清理→裝配定位焊→焊接→清理焊縫→擦拭腐蝕→熒光檢查→ 補(bǔ)焊→真空時(shí)效熱處理（如果安裝座位置度有變化可通過熱校型后進(jìn)行2次真空時(shí)效熱處理）→手工校正安裝座圓度。

3.2 焊接設(shè)備

手工氬弧焊機(jī)林肯TIG355為交直流方波氬弧焊機(jī)，特點(diǎn)及用途:輸出焊接電流范圍2A-400A，交、直流兩用，可高頻起弧、收弧衰減，預(yù)通氬氣及延遲通氣，穩(wěn)弧性能好，可焊接薄、中、厚多種板材。

焊接變位器可兩軸旋轉(zhuǎn)：水平翻轉(zhuǎn)和垂直旋轉(zhuǎn)。

3.3 焊接夾具

根據(jù)設(shè)計(jì)圖的要求、零件的具體形狀和焊接工藝特點(diǎn)夾具應(yīng)能保證安裝座的焊后位置度和垂直度，焊接錯(cuò)邊，正反面成形良好，正反面氬氣保護(hù)良好并限制安裝座直徑變形。由于安裝座位置度的定位基準(zhǔn)為機(jī)匣單個(gè)凸臺(tái)的底孔，與8處機(jī)匣凸臺(tái)孔整體位置無關(guān)，只相當(dāng)于每個(gè)安裝座圓口與機(jī)匣凸臺(tái)底孔的同軸度，夾具可制造成8個(gè)同樣的夾具，各自組裝。零件焊縫焊透后，背面有一定的余高，為不影響夾具的取下，夾具設(shè)計(jì)應(yīng)為分體式結(jié)構(gòu)（見圖2），焊接完成后分別從機(jī)匣兩側(cè)取出夾具。

3.4 焊接參數(shù)選擇及工藝評(píng)定確定的焊接參數(shù)如下：

焊絲牌號(hào)和直徑：AMS5837 ф1.2 mm

鎢極牌號(hào):WCe20 ф3.0mm

保護(hù)氣體:氬氣，純度:99.995%

焊槍氬氣流量:8-12L/min背面氬氣流量:1-焊接電流:70A max電源極性:直流 正接焊接位置:平焊和橫焊

4 焊接存在的問題及解決方案

從零件的圖3看出焊縫的接頭形式大部分為對(duì)接V型坡口，由于兩側(cè)各有一角型臺(tái)階,故形成了兩處下部為單面V型坡口，上部為角焊縫的接頭形式；除角部外，焊接部位壁厚度 1.91mm(機(jī)匣)和 1.71mm（安裝座），角部突出部位高度約2mm。利用模擬機(jī)匣的進(jìn)行了焊接試驗(yàn)加工，包括焊槍的角度調(diào)整，焊接方向的選擇，焊縫可達(dá)部位的最佳選擇以及在焊接變位器上如何正確調(diào)整焊接位置。我們將機(jī)匣固定在焊接變位器的轉(zhuǎn)盤上，這樣機(jī)匣就可以在轉(zhuǎn)盤上水平、傾斜或垂直旋轉(zhuǎn)，使焊工能夠輕松的選擇焊接最佳角度與位置，經(jīng)過對(duì)此機(jī)匣的焊接，發(fā)現(xiàn)有如下焊接問題：縫的突出部位局部角焊縫表面有氧化現(xiàn)象。

B.焊接收縮量的控制和焊接位置度的控制。

C.焊接后安裝座圓口的直徑變形問題。解決方案

針對(duì)上述問題，我們采取了一些措施：

A.未焊透的現(xiàn)象我們認(rèn)為主要原因是角部突出部位厚度比其他位置大；焊接速度快；焊槍與焊道角度不垂直，導(dǎo)致熔深不夠；整體機(jī)匣比模擬件導(dǎo)熱快。為此我們?cè)诤附訒r(shí)適當(dāng)調(diào)整焊槍角度，降低焊接速度，加大焊接電流。采用上坡焊，避免下坡焊。

氧化現(xiàn)象主要原因是角部突出部位的側(cè)面擋住了焊槍噴嘴，使氬氣不能直接吹到焊縫熔池表面。通過調(diào)整焊槍角度和改變焊接方向，局部由左焊法改為右焊法。

B.焊接收縮量根據(jù)零件的尺寸要求焊后安裝座端面到機(jī)匣中心601.218±0.76mm，預(yù)留機(jī)匣凸臺(tái)端面到機(jī)匣中心553.09±0.1mm，安裝座高度49.02±0.05 mm，定位焊后尺寸為602.11±0.15mm。焊接收縮量最小0.5 mm，焊后可符合尺寸要求。安裝座圓口位置度通過夾具的控制，熱處理后的位置度變形通過熱校型控制。零件經(jīng)時(shí)效熱處理后安裝座位置度有所變化，根據(jù)圓口的偏擺方向（沿圓周角向偏移或軸向偏移），確定采用局部加熱的熱矯形法對(duì)零件進(jìn)行返修，使用氬弧焊電弧作熱源，對(duì)局部焊道進(jìn)行加熱，使其收縮產(chǎn)生反向變形。

C.安裝座圓口的直徑焊前尺寸為57.15±0.05 mm，焊后及熱處理后要求直徑為最小56.97mm，見圖3，如果不加以控制尺寸無法保證。未安裝防變形夾具熱處理后尺寸，圓度為1.0mm。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了安裝座防變形熱處理夾具，形狀為一個(gè)圓柱片，厚度9mm，夾具材料與安裝座一致為Inconel 625，熱處理時(shí)裝入圓口內(nèi)，撐緊圓口并隨零件入爐，放入矯形夾具進(jìn)行熱處理后多數(shù)安裝座取下夾具不用校正圓口尺寸就合格，個(gè)別安裝座直徑最小為56.8mm，最大為57.2 mm，經(jīng)過手工校正后很容易滿足了尺寸要求56.97mm，校正時(shí)采用左旋和右旋螺栓的脹力將圓口撐圓。

結(jié)論

焊接變形是焊接件加工中的一大難題，通過對(duì)機(jī)匣無余量安裝座焊接研究使我們積累了安裝座焊接經(jīng)驗(yàn)。

[1]張利國，姬書得，方洪淵，劉雪松.焊接順序?qū)形接頭焊接殘余應(yīng)力場的影響[N].機(jī)械工程學(xué)報(bào).

[2]王燕，孫小華，鄒雋，吳敏.手工電弧焊與CO2氣體保護(hù)焊焊縫成形特征研究[N].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009.02.15.

[3]高輝.摩擦疊焊試驗(yàn)裝置及焊接工藝研究.北京化工大學(xué)[J].北京化工大學(xué)，2010.05.31.