GH3044合金薄壁零件裂紋、掉塊修復(fù)工藝研究

■ 馬秀萍，吳家云，王海燕，呂榛

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某航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用一段時(shí)間后返廠修理時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)其內(nèi)某GH3044合金內(nèi)外雙層環(huán)形結(jié)構(gòu)薄壁零件（局部結(jié)構(gòu)示意見圖1）的雙重環(huán)上出現(xiàn)裂紋、掉塊缺陷（見圖2）。為挽救該零件，降低發(fā)動(dòng)機(jī)修理成本，擬對其進(jìn)行修復(fù)。由于零件結(jié)構(gòu)及缺陷性質(zhì)等原因，該缺陷不能采用直接補(bǔ)焊的方法修復(fù)，而是需要更換新的雙重環(huán)。并且在進(jìn)行雙重環(huán)更換修復(fù)時(shí)，由于受零件結(jié)構(gòu)及加工工藝路線的限制，原零件生產(chǎn)采用的縫焊方法焊接可達(dá)性差，因此無法采用原縫焊方法焊接雙重環(huán)，需研究新的焊接修復(fù)工藝方法。經(jīng)分析討論及試驗(yàn)研究，確定了雙重環(huán)更換修復(fù)采用連續(xù)點(diǎn)焊修復(fù)工藝。

圖1 零件局部結(jié)構(gòu)

1. 原理分析

電阻點(diǎn)焊簡稱點(diǎn)焊，是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩圓柱形電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點(diǎn)的電阻焊方法。所謂連續(xù)點(diǎn)焊是為了滿足焊接接頭氣密性的要求而采用的一種點(diǎn)焊方法，是由人工操作點(diǎn)焊設(shè)備，在焊件上連續(xù)焊接一連串相互重疊一部分的點(diǎn)焊焊點(diǎn)，從而形成一條連續(xù)焊縫的方法，其原理與點(diǎn)焊原理相同。電阻縫焊簡稱縫焊，是將焊件裝配成搭接或?qū)樱ㄓ糜诟哳l對接縫焊）接頭并置于兩滾輪電極之間，滾輪電極加壓焊件并轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)或斷續(xù)送電，形成一條連續(xù)焊縫的電阻焊方法。搭接縫焊的原理與點(diǎn)焊相同，區(qū)別在于縫焊是以圓盤狀銅合金電極（又稱滾輪電極）代替點(diǎn)焊的棒狀電極，其實(shí)質(zhì)是點(diǎn)焊的一種演變。而連續(xù)點(diǎn)焊和縫焊的差別，除了上述電極差異外，僅僅在于工件由人工移動(dòng)變成了由設(shè)備自動(dòng)移動(dòng)，兩者的焊縫實(shí)質(zhì)上均是由一連串相互重疊一部分的焊點(diǎn)組成，焊縫上這些焊點(diǎn)的形成過程與點(diǎn)焊相同。因此，連續(xù)點(diǎn)焊與縫焊在本質(zhì)上是沒有區(qū)別的，只是在實(shí)現(xiàn)方式上略有差異。原理上認(rèn)為，采用連續(xù)點(diǎn)焊的工藝方法代替原縫焊工藝進(jìn)行雙重環(huán)零件焊接修復(fù)是可行的。

圖2 雙重環(huán)裂紋、掉塊缺陷

2. 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用母材是與零件同材料、等壁厚、同熱處理狀態(tài)的G H3044固溶強(qiáng)化鎳基高溫合金板材，厚度分別為0.8mm和1.0mm，均加工成長300mm、寬110mm的焊接試片。試驗(yàn)用焊接設(shè)備為SM－200型縫焊機(jī)和DN2－200型單相交流點(diǎn)焊機(jī)。針對該零件的焊接修復(fù)，對于焊接可達(dá)性差的問題，設(shè)計(jì)制造了修復(fù)專用的連續(xù)點(diǎn)焊異形電極。試驗(yàn)過程中，采用連續(xù)點(diǎn)焊方法、使用上述設(shè)計(jì)的電極先在工藝試片上進(jìn)行焊接參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)，優(yōu)選出了合適的連續(xù)點(diǎn)焊焊接參數(shù)（見表1）。之后模擬該零件的焊接修復(fù)過程，先采用新制零件生產(chǎn)時(shí)的縫焊工藝第一次焊接0.8mm+1.0mm不等厚組合的焊接試片，然后打磨去除焊接接頭中板厚為1.0mm一側(cè)的母材和焊縫，再在經(jīng)過一次縫焊的原焊接接頭部位重新組合1.0mm厚的試片，并采用經(jīng)過優(yōu)化的連續(xù)點(diǎn)焊工藝對其進(jìn)行第二次焊接（以下簡稱縫焊+連續(xù)點(diǎn)焊）。所有縫焊+連續(xù)點(diǎn)焊的焊接試片經(jīng)檢驗(yàn)合格，即采用線切割方法從焊接試片上切取試樣，并進(jìn)行焊接接頭的撕破試驗(yàn)、金相檢測和室溫抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。

3. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）焊接接頭撕破檢測 縫焊+連續(xù)點(diǎn)焊焊接接頭進(jìn)行撕破試驗(yàn)時(shí)，沿焊縫邊界撕破，在0.8mm板材基體上撕成孔洞，在1.0mm板材留有凸起的金屬，撕破寬度為4.5mm，符合設(shè)計(jì)圖樣及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，如圖3所示。

（2）焊接接頭金相檢測 縫焊+連續(xù)點(diǎn)焊焊接接頭的金相檢測結(jié)果如表2及圖4、圖5所示。從金相檢測結(jié)果可以看出，焊接接頭的焊縫內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良，未見焊接缺陷；焊縫縱剖試樣在低倍顯微鏡下觀察，焊縫上形成連續(xù)重疊的熔核，可以看到焊縫的熔核分布及重疊量略微不均勻，這是由于連續(xù)點(diǎn)焊是由人工移動(dòng)工件，控制精度不高而導(dǎo)致的，但滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；而從焊縫橫剖試樣的金相檢查結(jié)果可見，焊接接頭的壓痕深度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但較新制零件生產(chǎn)時(shí)明顯加深，這是因?yàn)樵摻宇^經(jīng)過了兩次焊接，壓痕存在一定的累積作用，焊接參數(shù)可能也存在一定的影響。總體來說，縫焊+連續(xù)點(diǎn)焊焊接接頭的熔合寬度/直徑、焊透率、壓痕深度、搭接連續(xù)性及焊縫內(nèi)部質(zhì)量等均符合設(shè)計(jì)圖樣及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，與新制零件生產(chǎn)時(shí)縫焊焊縫的檢測結(jié)果基本相當(dāng)，差異不明顯。

圖3 焊接接頭撕破外觀形貌

表1 連續(xù)點(diǎn)焊焊接參數(shù)

圖4 縫焊+連續(xù)點(diǎn)焊焊縫縱剖宏觀形貌

圖5 縫焊+連續(xù)點(diǎn)焊焊縫橫剖宏觀形貌

（3）焊接接頭室溫抗剪強(qiáng)度分析 縫焊+連續(xù)點(diǎn)焊焊接接頭的室溫抗剪性能檢測結(jié)果如表3所示。從檢測結(jié)果可見，縫焊+連續(xù)點(diǎn)焊焊接接頭的室溫抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于母材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的母材強(qiáng)度極限下限值735MPa，滿足焊接標(biāo)注規(guī)定的“不低于技術(shù)條件或材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的母材強(qiáng)度極限下限的85%”的要求，其室溫抗剪強(qiáng)度與新制零件生產(chǎn)時(shí)檢測的縫焊工藝焊接的接頭抗剪強(qiáng)度基本相當(dāng)。由此可以認(rèn)為，縫焊后將焊接接頭中板厚為1.0mm一側(cè)的母材和焊縫去除，之后采用試驗(yàn)確定的連續(xù)點(diǎn)焊焊接工藝及參數(shù)重新組合焊接1.0mm厚的試片而形成的焊接接頭，采用連續(xù)點(diǎn)焊進(jìn)行第二次焊接對其室溫抗剪性能的影響不大。

表2 縫焊+連續(xù)點(diǎn)焊焊接接頭的金相檢測結(jié)果

4. 零件修復(fù)情況

使用試驗(yàn)中設(shè)計(jì)制造的連續(xù)點(diǎn)焊修復(fù)工藝專用異形電極，采用上述試驗(yàn)確定的連續(xù)點(diǎn)焊工藝，對雙重環(huán)裂紋或掉塊的GH3044合金薄壁零件進(jìn)行了焊接修復(fù)工作。修復(fù)結(jié)果表明，焊縫質(zhì)量等符合設(shè)計(jì)圖樣及相應(yīng)焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，并通過了發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)修復(fù)使用周期的工廠長期試車考核，目前采用該工藝修復(fù)的多件零件已裝機(jī)并長期穩(wěn)定在外場使用。

5. 結(jié)語

（1）縫焊+連續(xù)點(diǎn)焊焊接接頭的焊縫能形成連續(xù)重疊的熔核；同時(shí)，焊縫的熔核寬度/直徑、焊透率、壓痕深度、接頭室溫抗剪性能等也均符合設(shè)計(jì)圖樣及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）縫焊接頭去除一側(cè)板材和焊縫后采用連續(xù)點(diǎn)焊重新焊接，對焊縫質(zhì)量和焊接接頭強(qiáng)度無明顯影響。

（3）可采用連續(xù)點(diǎn)焊進(jìn)行某航空發(fā)動(dòng)機(jī)GH3044合金薄壁零件雙重環(huán)的焊接修復(fù)。