GH738金屬封嚴(yán)圈的微束等離子焊接

宋文清，曲 伸，石豎鯤，高 山

（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）

0 前言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，內(nèi)流損失日益成為影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能、燃油效率的主要因素之一，而可靠的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)是減少內(nèi)流損傷的有效途徑[1]。某大推重比發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪導(dǎo)向器與外部機(jī)匣間采用GH738金屬封嚴(yán)圈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其通過(guò)內(nèi)外氣流壓差使封嚴(yán)圈與接觸端面彈性漲緊，在大大減少渦輪內(nèi)部燃?xì)庑孤┑耐瑫r(shí)，又保證了外部高壓冷氣對(duì)導(dǎo)向器葉片的冷卻效果。GH738金屬封嚴(yán)圈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GH738金屬封嚴(yán)圈Fig.1 Sealing ring of GH738 superalloy

GH738金屬封嚴(yán)圈成形截面為ω型，壁厚0.25 mm，截面最大寬度6.2 mm，直徑達(dá)800 mm以上且成形精度高。封嚴(yán)圈成形工藝主要由帶材焊接、成形、熱處理以及精整等工序組成。根據(jù)封嚴(yán)圈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和成形特點(diǎn)，焊接在整個(gè)封嚴(yán)圈加工過(guò)程中十分重要，對(duì)焊縫質(zhì)量、焊接變形和塑性成形等均提出了更高要求。采用微束等離子焊接封嚴(yán)圈零件，具有電弧穩(wěn)定、焊接速度快、焊縫窄、熱影響區(qū)小、焊接變形小[1]等優(yōu)點(diǎn)。在此重點(diǎn)介紹GH738金屬封嚴(yán)圈的微束等離子焊接，包括材料焊接性分析、工藝過(guò)程、組織性能驗(yàn)證等。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及其焊接性

GH738合金是以γ‘相沉淀硬化的鎳基高溫合金，具有良好的耐燃?xì)飧g能力、較高的屈服強(qiáng)度和疲勞性能[2]。GH738合金冷軋帶材的化學(xué)成分如表1所示。

表1 GH738合金冷軋帶材的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of GH738 Superalloy %

判定高溫合金的焊接性以鋁、鈦含量（Al-0.84Ti值）為主要標(biāo)志，高鋁、鈦含量的沉淀強(qiáng)化高溫合金容易在熔池凝固過(guò)程中在晶界形成低熔點(diǎn)共晶物[3]，同時(shí)不規(guī)則或聚集的碳化物也會(huì)在晶界上形成低熔點(diǎn)共晶物，最終表現(xiàn)為焊縫或熱影響區(qū)的熱裂紋缺陷。根據(jù)高溫合金焊接性的特點(diǎn)，可以采用焊前固溶或退火處理、高能束焊接方法以及小電流、快速焊工藝參數(shù)來(lái)改善焊接性和減小過(guò)熱傾向。GH738金屬封嚴(yán)圈焊前為退火熱處理狀態(tài)，通過(guò)擬定減小過(guò)熱的控制方法開展工藝試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和夾具

采用ABB IRB1600機(jī)器人系統(tǒng)、SAF Plasmafix 51微束等離子電源和SP45自動(dòng)水冷焊槍進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。該試驗(yàn)設(shè)備具備軌跡示教、程序自動(dòng)焊接、預(yù)先提前送氣、滯后停氣時(shí)間等功能，并可調(diào)節(jié)電流波形，改善起弧和收弧控制。

采用3B377-1242專用焊接夾具，如圖2所示。為保證0.25 mm帶材可靠壓緊且不損傷零件，在設(shè)計(jì)上未采用常規(guī)的琴鍵式夾具，而是采用了雙層壓板和局部加強(qiáng)頂緊的結(jié)構(gòu)，壓板間距在6 mm范圍內(nèi)獨(dú)立可調(diào)。紫銅墊板設(shè)計(jì)了成形槽并每隔50 mm鉆有φ1.0 mm背面保護(hù)通氣孔。

圖2 專用焊接夾具照片F(xiàn)ig.2 Photograph of the fixture for micro-plasma arc welding

2 工藝試驗(yàn)

2.1 焊前準(zhǔn)備和裝配

焊前用奧氏體不銹鋼絲刷或旋轉(zhuǎn)鋼絲刷進(jìn)行機(jī)械清理，保證徹底清除接頭處及兩側(cè)不小于6 mm范圍內(nèi)的氧化物、油污，并用干凈的白棉布或綢布蘸酒精或丙酮對(duì)接頭處進(jìn)行脫脂處理，接頭處不允許殘留布纖維。將試片放置于專用對(duì)接夾具上，裝配對(duì)接間隙應(yīng)不大于0.10mm，錯(cuò)邊量不大于0.10 mm，裝配時(shí)邊找正邊擰緊壓緊螺母。

開啟并檢查微束等離子電源和焊槍，設(shè)備狀態(tài)指示處于正常，無(wú)報(bào)警信息，檢查鎢極尖端燒損（一般尖端磨成10°~15°）、鎢極伸出長(zhǎng)度、鎢極同心度情況等。測(cè)試離子氣流量和保護(hù)氣體流量，應(yīng)能精細(xì)調(diào)節(jié)，氣閥電路的控制應(yīng)可靠。

檢查完畢后開啟維弧，維弧即鎢極與噴嘴之間產(chǎn)生的電弧，由于管路內(nèi)殘留空氣可能導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)電弧的產(chǎn)生，如維弧始終處于不穩(wěn)定或亞穩(wěn)定狀態(tài)，則需要檢查微束等離子焊槍，判定電極是否燒損，導(dǎo)電嘴是否堵塞，電極伸出長(zhǎng)度是否符合標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度等。如維弧穩(wěn)定燃燒，即可將焊槍移至距工件約2 mm處，工件表面會(huì)形成一個(gè)電弧斑點(diǎn)，利用電弧斑點(diǎn)對(duì)焊接軌跡進(jìn)行示教并設(shè)置焊接工藝參數(shù)。

2.2 焊接工藝參數(shù)

微束等離子焊接工藝參數(shù)包括焊接電流、焊接速度、離子氣體流量、保護(hù)氣體流量、壓縮噴嘴直徑、保護(hù)噴嘴直徑、鎢極直徑、鎢極伸出長(zhǎng)度、壓縮噴嘴距工件距離、電源種類和極性等。采用直流脈沖焊接時(shí)，還有脈沖頻率、脈沖寬度、峰值電流和基值電流等參數(shù)；為提高保護(hù)效果和控制起弧、收弧，還可以設(shè)置起弧電流和時(shí)間、收弧電流和時(shí)間、上升沿和下降沿時(shí)間以及預(yù)先送氣和滯后停氣時(shí)間等參數(shù)。

焊接工藝參數(shù)試驗(yàn)主要調(diào)整焊接電流、焊接速度和離子氣流量。這三個(gè)參數(shù)對(duì)焊縫成形尺寸、熔深的影響最為明顯。如離子氣流量越大電弧穿透力越強(qiáng)，表現(xiàn)為熔深增加，但過(guò)大會(huì)產(chǎn)生燒穿和接頭自熔現(xiàn)象。具體試驗(yàn)工藝參數(shù)如表2所示。

表2 GH738合金微束等離子焊接工藝參數(shù)Tab.2 Micro-plasma arc welding process parameter of GH738 superalloy

3 結(jié)果討論與分析

3.1 焊縫成形

相對(duì)于氬弧焊，微束等離子焊電弧集中度更高，電流密度更大，在保證更大熔深的情況下可以實(shí)現(xiàn)更小的電流規(guī)范和更大的焊接速度，而離子氣流量所體現(xiàn)的電弧穿透能力是實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)勢(shì)的直接條件。因此，對(duì)于不銹鋼和高溫合金材料，焊接手冊(cè)及相關(guān)文獻(xiàn)中[4]提供的離子氣流量參數(shù)均在0.2 L/min以上。本試驗(yàn)采用W1~W3工藝參數(shù)在焊接同樣厚度的0Cr18Ni9和GH536合金均能獲得較好的焊縫成形，焊縫寬度控制在0.8～1.0 mm。而在焊接GH738合金時(shí)，焊縫背面出現(xiàn)了縮溝現(xiàn)象，對(duì)試片進(jìn)行手工反復(fù)彎曲時(shí)，出現(xiàn)了宏觀裂紋甚至斷裂現(xiàn)象。對(duì)于采用W4工藝參數(shù)焊接時(shí)，在試片局部間隙或錯(cuò)邊較大處出現(xiàn)燒穿或局部自熔現(xiàn)象，同時(shí)焊縫背面縮溝現(xiàn)象無(wú)明顯改善。分析認(rèn)為，在焊接過(guò)程中，GH738合金液態(tài)金屬流動(dòng)性差，采用較高的焊接速度和較大的離子氣流量，導(dǎo)致焊縫背面填充金屬不足、熔合能力降低，形成縮溝，同時(shí)背面保護(hù)效果也會(huì)對(duì)縮溝缺陷產(chǎn)生影響。

后續(xù)試驗(yàn)中將離子氣流量降低到0.1 L/min，并適當(dāng)降低了焊接速度和焊接電流，既保證100%熔透又防止局部燒穿或自熔，焊縫成形寬度在1.1～1.3 mm（W5和W6工藝參數(shù)）。觀察焊縫背面成形無(wú)縮溝和熔合不良現(xiàn)象，又進(jìn)行反復(fù)手工彎曲試驗(yàn)，試片彎曲部位位于焊縫一側(cè)的基體上。經(jīng)對(duì)比兩組工藝參數(shù)的焊縫成形，選取W5為最佳工藝參數(shù)（試片焊縫成形見圖3）。因此，在微束等離子焊接不銹鋼或高溫合金時(shí)，基體材料的液態(tài)金屬流動(dòng)性對(duì)焊縫成形具有顯著作用。

圖3 GH738合金微束等離子焊縫外觀成形Fig.3 Weld appearance of GH738 superalloy for microplasma arc welding

3.2 金相組織

分別對(duì)采用工藝參數(shù)W1、W3和W5的焊接試片進(jìn)行金相組織分析，如圖4所示。圖片中央部位為焊縫區(qū)，焊縫區(qū)可見奧氏體晶界，晶內(nèi)為等軸枝晶組織，晶內(nèi)和晶界分布有析出碳化物[5]。其中W5冷卻速率最慢，熱輸入量最大，焊縫晶粒尺寸較大約200 μm，即使靠近熔合線附近等軸枝晶仍不明顯，但未發(fā)現(xiàn)過(guò)熱傾向較大產(chǎn)生的高溫結(jié)晶裂紋；W1和W3冷卻速率較快，等軸枝晶明顯，靠近熔合線附近可見柱狀晶組織，由于W1冷卻速率最快，等軸枝晶和柱狀晶呈針狀。從金相照片對(duì)比焊縫成形狀態(tài)可知，W1焊縫表面粗糙、過(guò)渡不均勻，甚至局部焊縫表面存在微觀切口，而W5焊縫表面過(guò)渡均勻，金屬凝固完全、鋪展性好。

圖4 不同焊接工藝參數(shù)焊縫金相組織對(duì)比Fig.4 Metallographic contrast analysis of different welding process parameters

焊縫兩側(cè)的近縫區(qū)由單相奧氏體組成，晶內(nèi)伴有大量孿晶組織，晶界和晶內(nèi)有少量碳化物呈彌散分布[6]，晶界碳化物Cr23C6未見類似條帶狀分布，組織穩(wěn)定性好，液化裂紋傾向小。W1和W3焊縫區(qū)兩側(cè)未見明顯的熱影響區(qū)和晶界加粗現(xiàn)象，晶粒尺寸未見改變；W5焊縫區(qū)兩側(cè)可見熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，熱影響區(qū)寬度約100 μm。

由上述分析可以判斷，微束等離子焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫冷卻速率、表面成形狀態(tài)、凝固結(jié)晶組織以及焊縫成形寬度的影響。

3.3 力學(xué)性能

分別對(duì)采用工藝參數(shù)W1、W3和W5的焊接試片（試片規(guī)格 200 mm×15 mm×0.25 mm）進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試，熱處理狀態(tài)分別為焊態(tài)（退火態(tài)焊接）、固溶+穩(wěn)定化狀態(tài)、固溶+穩(wěn)定化+時(shí)效狀態(tài)，具體測(cè)試結(jié)果如表3～表5所示。

由表3可知，W1~W5試片室溫抗拉強(qiáng)度值均無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)參考值下限，強(qiáng)度損失較大。W5相對(duì)較好，抗拉強(qiáng)度值相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)參考值的75%～85%，與通用焊接標(biāo)準(zhǔn)拉伸性能指標(biāo)接近（航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用熔焊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：不加填充金屬或去除焊縫余高的對(duì)接接頭其拉伸強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度極限下限值的85%）；延伸率指標(biāo)基本符合標(biāo)準(zhǔn)參考值。

表3 微束等離子焊縫常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試（焊態(tài)）Tab.3 Tensile strength,yield strength and elongation of the weld as welded

表4 微束等離子焊縫常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試（焊后固溶+穩(wěn)定化處理）Tab.4 Tensile strength，yield strength and elongation of the weld after postweld for solution and stabilizing treatment

由表4可知，焊態(tài)試片經(jīng)固溶和穩(wěn)定化處理后，焊縫強(qiáng)度指標(biāo)明顯提升，固溶強(qiáng)化效果顯著。W5得益于良好的焊縫成形，斷裂位置處于遠(yuǎn)離焊縫的基體區(qū)。盡管表4中沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)參考值，但從基體實(shí)測(cè)值可以看出：焊縫拉伸強(qiáng)度經(jīng)熱處理后得到加強(qiáng)，W1和W3拉伸強(qiáng)度值已達(dá)到基體實(shí)測(cè)值的85%，而W5拉伸強(qiáng)度值超過(guò)基體。

由表5可知，焊態(tài)試片經(jīng)固溶、穩(wěn)定化處理和時(shí)效熱處理后，焊縫強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)一步提高，突出了時(shí)效強(qiáng)化效果。W1~W5焊縫拉伸強(qiáng)度值已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)參考值的100%，而W5延伸率值和斷裂位置依然表現(xiàn)較好。

綜上可以判定，微束等離子焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫拉伸強(qiáng)度、延伸率標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能指標(biāo)的影響，同時(shí)焊后熱處理對(duì)GH738合金力學(xué)性能影響更為顯著。

表5 微束等離子焊縫常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試（固溶+穩(wěn)定化處理+時(shí)效）Tab.5 Tensile strength，yield strength and elongation of the weld after postweld for solution，stabilizing and ageing treatment

4 焊接工藝

根據(jù)工藝試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)論，對(duì)GH738金屬封嚴(yán)圈零件進(jìn)行了微束等離子焊接，采用W5焊接工藝參數(shù)，并加強(qiáng)了保護(hù)效果，防止由于局部氧化導(dǎo)致接頭強(qiáng)度和塑性損失。焊前裝配階段嚴(yán)格控制接頭間隙和錯(cuò)邊量，特別是在起弧階段尤為重要，否則極易形成燒穿或自熔現(xiàn)象。由于采用了較大的焊接熱輸入規(guī)范，焊接夾具應(yīng)保證可靠壓緊，壓板間距盡量控制在3 mm以內(nèi)，防止產(chǎn)生較大變形和錯(cuò)位。在焊接工藝參數(shù)設(shè)置上還應(yīng)精確設(shè)定起弧、收弧電流和時(shí)間，防止形成針孔狀弧坑。焊后進(jìn)行目視檢查和熒光滲透檢驗(yàn)，對(duì)于局部燒穿或自熔的零件，可以采用鎢極氬弧焊添絲補(bǔ)焊或切除焊縫重新進(jìn)行微束等離子焊接。

應(yīng)用本焊接工藝共計(jì)已生產(chǎn)金屬封嚴(yán)圈零件30余件，焊后進(jìn)行的成形工序未發(fā)現(xiàn)裂紋和斷裂現(xiàn)象，塑性儲(chǔ)備充足。微束等離子焊接GH738金屬封嚴(yán)圈結(jié)束了我國(guó)長(zhǎng)期進(jìn)口金屬封嚴(yán)圈的歷史，真正實(shí)現(xiàn)了從技術(shù)研發(fā)到生產(chǎn)的自主國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

5 結(jié)論

（1）GH738合金在焊接過(guò)程中，液態(tài)金屬流動(dòng)性差，采用焊接速度低和離子氣流量小的W5焊接工藝參數(shù)能夠獲得較好的焊縫成形質(zhì)量。

（2）GH738合金采用W5焊接工藝參數(shù)，具有較大的焊接熱輸入，金相組織檢查未發(fā)現(xiàn)熱裂紋傾向，微觀表面過(guò)渡均勻，金屬凝固完全、鋪展性好。

（3）通過(guò)對(duì)W1~W5焊接工藝參數(shù)試片進(jìn)行不同熱處理狀態(tài)室溫拉伸測(cè)試，結(jié)果表明GH738合金焊后熱處理強(qiáng)化效果顯著，采用W5焊接工藝參數(shù)的試片室溫拉伸強(qiáng)度和塑性指標(biāo)最佳。

（4）GH738金屬封嚴(yán)圈應(yīng)用微束等離子焊接工藝，已實(shí)現(xiàn)小批生產(chǎn)能力，焊后成形性好、塑性儲(chǔ)備充足。

[1]陳禮順.航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2008（8）：82-84，95.

[2]中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)（第二卷）[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[3]宋文清.K4104合金渦輪導(dǎo)向葉片的補(bǔ)焊技術(shù)[J].焊接技術(shù)，2010（10）：69-72.

[4]田嘉禾、楚玉盈.特種焊接新技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].上海：當(dāng)代中國(guó)音響出版社，2004.

[5]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編著.焊接金相圖譜[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[6]郭建亭.高溫合金材料學(xué)（下冊(cè)）[M].北京:科學(xué)出版社，2008.