焊接變形控制研究范文
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《制造技術與機床雜志》2015年第十二期
1尾筒冷卻套筒后部法蘭結構及材料
尾筒冷卻套筒是G50的重要組成部件，該部件由上下弧板及椎板焊接組成，厚度為16mm，坡口形式為X型坡口，上下弧板與椎板角度分別成30°、150°，上下弧板及椎板材料均為HastelloyX。其結構見圖1。HastelloyX是一種主要用Cr和Mo固溶強化的一種含鐵較高的鎳基耐熱高溫合金，具有較好的抗氧化性和耐蝕性能，在900℃以下有中等的持久和蠕變強度，冷、熱加工成形性能和焊接性能良好，適用于制造航空發(fā)動機燃燒室部件和其他高溫部件，在900℃以下可以長期使用，短時工作溫度可高達1080℃。HastelloyX的主要化學成分和力學性能見表1、2。
2焊接方法及焊接材料
HastelloyX能用各種焊接工藝方法焊接，如鎢電極惰性氣體保護焊、等離子弧焊、手工氬弧焊、金屬極惰性氣體保護焊、熔化極惰性氣體保護焊。本方案優(yōu)先考慮采用手工鎢極氬弧焊，采用低熱量輸入，層間溫度不超過100℃;不需要焊前和焊后進行熱處理;采用同材質(zhì)焊絲材料為ERNiCrMo－2，其化學成分見表3。ERNiCrMo－2焊材的線膨脹系數(shù)大，具有較高的熱裂紋敏感性，焊接時易產(chǎn)生熱裂紋，如凝固裂紋、多邊化裂紋和高溫失塑裂紋等。熱裂紋多發(fā)生在高溫下，常溫下不再擴展。要提高焊縫的抗裂能力和耐腐蝕性能，需特別注意焊前焊區(qū)的徹底清潔及工件的清理工作，避免有害雜質(zhì)熔入焊縫。為了有效防止熱裂紋的產(chǎn)生，務必要保證第1層焊道外表面呈外凸狀，收弧時應填滿弧坑;材料合金液態(tài)金屬流動性差，接頭坡口角度需較大些，易形成未焊透層，接頭鈍邊厚度要較小一些，焊接時線能量不能過小;焊接電流過大會增加熱裂紋敏感性，也會使焊縫金屬中的脫氧劑蒸發(fā)，出現(xiàn)氣孔，同時為防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長大及碳化物析出，一般需采用較小的焊接線能量焊接。所以在焊接時應采用中等電流、較高的焊速來控制焊接線能量。
3焊接方案
為保證焊接質(zhì)量和焊后尺寸，選用3種方案進行實驗研究、分析比較和優(yōu)化設計。
3．1方案一自制焊接工裝，上下弧板采用壓板，進行剛性固定。把工件置于平焊位置以方便焊接。焊接過程中采用小線能量方法，焊接參數(shù)如表4所示，層間溫度控制在100℃以下。打底焊縫采用電磨清根，PT檢查無缺陷后再進行焊接。正反面交替焊接，焊接過程中采用高壓風快速冷卻方式，并錘擊焊縫以釋放應力，達到減小焊接變形的目的。其焊接裝夾方法見圖2。采用此方案，雖然便于焊接，但背氬困難，焊縫背面氧化嚴重，清根困難;中間椎板處于自由狀態(tài)，沒有得到有效拘束，焊接完成后上下弧板與椎板角度不能保證;在焊接應力作用下，上下弧板受壓板的擠壓容易發(fā)生變形，失去弧度。
3．2方案二改變焊接位置，采用變形較小的立向上位置進行焊接，為保證上下弧板與椎板間角度尺寸，用定位塊整體相連。自制背氬工裝，對背面焊縫進行有效保護。其焊接裝夾方法見圖3。焊接過程采用小線能量方法，焊接參數(shù)與方案一相同，采用快速焊。打底焊縫采用電磨清根，PT檢查無缺陷后再進行焊接。正反面交替焊接，焊接過程中采用濕毛巾快速冷卻焊縫，并錘擊焊縫釋放應力，以達到控制焊接變形的目的。采用此方案，上下弧板水平面處于自由狀態(tài)，弧板弧度不會發(fā)生變化，上下弧板與椎板角度得到一定的約束，焊接完成后測量發(fā)現(xiàn)上下弧板與椎板角度發(fā)生微小變化，不能滿足30°與150°的要求。
3．3方案三在方案一和方案二的基礎上優(yōu)化設計，將底部定位塊與焊接平臺固定，加大裝夾約束力。其設計方案見圖4。采用雙人對稱焊接，焊接過程中整體快速水冷工件，待工件完全冷卻到室溫后，焊接下一層焊縫，使焊接應力得到充分的釋放，制作角度卡尺，隨時測量角度變化情況，從而改變焊接位置達到控制變形的目的。焊接完成后，再整體錘擊焊縫，盡可能消除焊接殘余應力。采用此方案，焊后尺寸滿足了上下弧板與椎板角度要求。
4結語
(1)通過對母體進行化學和力學性能分手，設計3種裝焊方案并進行試驗對比和參數(shù)分析、優(yōu)化設計，焊前采用剛性固定組裝法能滿足使用性能要求。(2)焊接過程中選用合理的焊接工藝參數(shù)，焊接位置，采用強迫冷卻法、錘擊法、雙人對稱施焊，多種措施綜合來控制焊接變形，成功解決了G50燃燒室冷卻套筒后部法蘭變形問題等關鍵技術。(3)為以后焊接類似結構件提供了依據(jù)，特別是針對焊后尺寸精度要求高的構件，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的同時大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，為公司創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟價值。
作者：楊林建 張建新 王浩宇 單位：四川工程職業(yè)技術學院 四川建筑職業(yè)技術學院 東方汽輪機集團公司
