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焊接变形控制研究

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《制造技术与机床杂志》2015年第十二期

1尾筒冷却套筒后部法兰结构及材料

尾筒冷却套筒是G50的重要组成部件,该部件由上下弧板及椎板焊接组成,厚度为16mm,坡口形式为X型坡口,上下弧板与椎板角度分别成30°、150°,上下弧板及椎板材料均为HastelloyX。其结构见图1。HastelloyX是一种主要用Cr和Mo固溶强化的一种含铁较高的镍基耐热高温合金,具有较好的抗氧化性和耐蚀性能,在900℃以下有中等的持久和蠕变强度,冷、热加工成形性能和焊接性能良好,适用于制造航空发动机燃烧室部件和其他高温部件,在900℃以下可以长期使用,短时工作温度可高达1080℃。HastelloyX的主要化学成分和力学性能见表1、2。

2焊接方法及焊接材料

HastelloyX能用各种焊接工艺方法焊接,如钨电极惰性气体保护焊、等离子弧焊、手工氩弧焊、金属极惰性气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊。本方案优先考虑采用手工钨极氩弧焊,采用低热量输入,层间温度不超过100℃;不需要焊前和焊后进行热处理;采用同材质焊丝材料为ERNiCrMo-2,其化学成分见表3。ERNiCrMo-2焊材的线膨胀系数大,具有较高的热裂纹敏感性,焊接时易产生热裂纹,如凝固裂纹、多边化裂纹和高温失塑裂纹等。热裂纹多发生在高温下,常温下不再扩展。要提高焊缝的抗裂能力和耐腐蚀性能,需特别注意焊前焊区的彻底清洁及工件的清理工作,避免有害杂质熔入焊缝。为了有效防止热裂纹的产生,务必要保证第1层焊道外表面呈外凸状,收弧时应填满弧坑;材料合金液态金属流动性差,接头坡口角度需较大些,易形成未焊透层,接头钝边厚度要较小一些,焊接时线能量不能过小;焊接电流过大会增加热裂纹敏感性,也会使焊缝金属中的脱氧剂蒸发,出现气孔,同时为防止焊缝和热影响区的晶粒长大及碳化物析出,一般需采用较小的焊接线能量焊接。所以在焊接时应采用中等电流、较高的焊速来控制焊接线能量。

3焊接方案

为保证焊接质量和焊后尺寸,选用3种方案进行实验研究、分析比较和优化设计。

3.1方案一自制焊接工装,上下弧板采用压板,进行刚性固定。把工件置于平焊位置以方便焊接。焊接过程中采用小线能量方法,焊接参数如表4所示,层间温度控制在100℃以下。打底焊缝采用电磨清根,PT检查无缺陷后再进行焊接。正反面交替焊接,焊接过程中采用高压风快速冷却方式,并锤击焊缝以释放应力,达到减小焊接变形的目的。其焊接装夹方法见图2。采用此方案,虽然便于焊接,但背氩困难,焊缝背面氧化严重,清根困难;中间椎板处于自由状态,没有得到有效拘束,焊接完成后上下弧板与椎板角度不能保证;在焊接应力作用下,上下弧板受压板的挤压容易发生变形,失去弧度。

3.2方案二改变焊接位置,采用变形较小的立向上位置进行焊接,为保证上下弧板与椎板间角度尺寸,用定位块整体相连。自制背氩工装,对背面焊缝进行有效保护。其焊接装夹方法见图3。焊接过程采用小线能量方法,焊接参数与方案一相同,采用快速焊。打底焊缝采用电磨清根,PT检查无缺陷后再进行焊接。正反面交替焊接,焊接过程中采用湿毛巾快速冷却焊缝,并锤击焊缝释放应力,以达到控制焊接变形的目的。采用此方案,上下弧板水平面处于自由状态,弧板弧度不会发生变化,上下弧板与椎板角度得到一定的约束,焊接完成后测量发现上下弧板与椎板角度发生微小变化,不能满足30°与150°的要求。

3.3方案三在方案一和方案二的基础上优化设计,将底部定位块与焊接平台固定,加大装夹约束力。其设计方案见图4。采用双人对称焊接,焊接过程中整体快速水冷工件,待工件完全冷却到室温后,焊接下一层焊缝,使焊接应力得到充分的释放,制作角度卡尺,随时测量角度变化情况,从而改变焊接位置达到控制变形的目的。焊接完成后,再整体锤击焊缝,尽可能消除焊接残余应力。采用此方案,焊后尺寸满足了上下弧板与椎板角度要求。

4结语

(1)通过对母体进行化学和力学性能分手,设计3种装焊方案并进行试验对比和参数分析、优化设计,焊前采用刚性固定组装法能满足使用性能要求。(2)焊接过程中选用合理的焊接工艺参数,焊接位置,采用强迫冷却法、锤击法、双人对称施焊,多种措施综合来控制焊接变形,成功解决了G50燃烧室冷却套筒后部法兰变形问题等关键技术。(3)为以后焊接类似结构件提供了依据,特别是针对焊后尺寸精度要求高的构件,保证了产品质量的同时大大缩短了生产周期,提高了生产效率,为公司创造了一定的经济价值。

作者:杨林建 张建新 王浩宇 单位:四川工程职业技术学院 四川建筑职业技术学院 东方汽轮机集团公司

制造技术与机床杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次