鎳基高溫合金異形筒體零件的焊接工藝研究

楊海鋼 李塞川

（沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

鎳基高溫合金異形筒體零件，是重型燃機燃燒室部分的一個單件（過渡段），用于燃機燃燒室后部高溫燃氣整流，將燃燒室火焰筒出口的圓形截面燃氣流過渡為透平導(dǎo)葉前的扇形截面燃氣流。通過異形筒體零件截面形狀的漸變，將燃氣流截面積收斂到一定程度而達到渦輪進口要求的軸向流速，實現(xiàn)推動渦輪轉(zhuǎn)動的目的。零件在900℃～1100℃的高溫條件下工作，要求零件的型面截面積收斂速度適當，由圓形到扇形過渡平滑，并能夠改善出口流場均勻性。但是從加工角度講，異形筒體零件是一個復(fù)雜的空間異形結(jié)構(gòu)，無法實現(xiàn)整體成形，需要通過拉深成形上、下半部，再由縱向焊縫連成整體。

圖1 不同型別鎳基高溫合金異形筒體結(jié)構(gòu)示意圖

不同型別的異形筒體零件，空間曲面的變化差異較大，如圖1給出兩個型別的異形筒體零件結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1可以看出，在高溫環(huán)境中零件要改變流道氣流方向，各部位受力是不均勻的，頻繁的熱沖擊易產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中，在經(jīng)過一段時間后就難以保證零件的剛度和熱強度要求，而焊縫質(zhì)量是影響零件使用壽命的關(guān)鍵部位。本文通過確定異形筒體的TIG焊接工藝參數(shù)，分析了零件焊接缺陷和焊接變形的產(chǎn)生原因，討論了提高零件焊接質(zhì)量和控制焊接變形的措施，為其他異形筒體零件的焊接提供了參考和依據(jù)。

1 鎳基高溫合金異形筒體零件的焊接方法分析

圖2 鎳基高溫合金異形筒體UG數(shù)模示意圖

鎳基高溫合金異形筒體零件連接著燃燒室火焰筒的出氣口和渦輪的進氣口，筒體空間構(gòu)造復(fù)雜，焊縫亦是如此，圖2給出了鎳基高溫合金異形筒體零件的UG數(shù)模示意圖。從圖中可以看出，兩條縱向焊縫中心是異形筒體零件上下半部分型面與零件的相交線，相對于圓口中心和扇型方口中心所構(gòu)成的垂直平面對稱，焊縫起始于零件圓口端面，終止于扇形方口端面上半部轉(zhuǎn)接圓角的切點。因為零件成形后型面回彈較大，導(dǎo)致零件裝配間隙不均，不能制造有效的焊接背保夾具實現(xiàn)機械化自動焊接。而且不同型別燃機的異形筒體零件，尺寸和形狀差異較大，焊縫線性長度從400mm到2000mm不等，因此，對于高溫鎳基合金異形筒體零件的焊接一直采用手工氬弧焊（TIG）。

2 異形筒體的焊接

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異形筒體零件選用的材料均為耐高溫腐蝕并具有良好高溫強度、塑性和韌性的鎳基高溫合金，具體化學(xué)成分含量如表1、表2所示。采用4.78mm厚的N263（美國材料牌號）或3.18mm厚的Hast X（美國材料牌號）鎳基高溫合金板料拉深成形上、下半部后，應(yīng)用手工氬弧焊（TIG）對零件的兩條縱向焊縫進行裝配定位焊及焊接。焊機型號SQVARE WAVE，TIG-355，額定電流350A最大。焊接時打底焊所用焊絲為Ф1.6mm，中間層和罩面層所用焊絲為Ф2.4mm。零件焊接所用的焊絲合金成分分別與表1、表2相同，這也從焊接選材上保證異形筒體零件焊縫與基體母材的力學(xué)性能一致。

2.1 焊接工藝參數(shù)

鎳基高溫合金的液態(tài)金屬的流動性較差，其熔透深度只有珠光體鋼的50%或奧氏體鋼的60%，若焊接工藝參數(shù)不當，易出現(xiàn)未焊透等缺陷。但若加大焊接電流來提高其液態(tài)金屬的流動性，因奧氏體組織的大電阻率增加了焊縫的熱輸入量使裂紋傾向增加。所以，鎳基高溫合金異形筒體零件上、下半部采用對接方式連接，為了保證熔合良好，適應(yīng)TIG焊熔深淺的特點，一方面實行多層焊，另一方面增大坡口角度，適當減小根部鈍邊厚度。這樣可保證焊絲和焊炬能夠達到坡口的根部，并使其在坡口中容易運作，保證零件全焊透。因此，焊縫接頭一般開V形坡口，坡口示意圖如圖3所示，坡口尺寸如表3所示。

圖3 焊接坡口角度示意圖

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圖3焊接坡口角度示意圖

鎳基高溫合金是單相奧氏體組織，電阻率大，焊接熔池過熱或焊接速度太慢，都會增大焊接熱輸入，使晶粒長大，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)的晶粒粗大，降低焊縫接頭的塑性及抗裂能力。當異形筒體零件焊接時，若在晶界上析出的低熔點金屬間化合物形成液態(tài)薄膜，減弱了晶粒的結(jié)合強度，在焊接應(yīng)力作用下就會產(chǎn)生液化裂紋。因此，零件焊接時要采用小的焊接熱輸入，并采用短段焊接。通過多次試驗調(diào)整，最終確定手工氬弧焊的焊接工藝參數(shù)如表4所示。從表中可以看出，保護氣體Ar氣純度為99.99%，為保證焊接電弧穩(wěn)定，正面保護氣體流量為5～8L/min，反面保護氣體流量為15～20L/min，焊接電流120-150A。零件焊接采用的焊絲直徑大小取決于被焊母材厚度，因此用Ф1.6mm的焊絲進行定位及打底焊接，并盡量用較小的焊接電流，可以保證定位焊點在焊接時能夠完全熔化；焊接時用Ф2.4mm的焊絲，可以提高零件焊接效率。

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2.2 焊接缺陷

按表4的焊接參數(shù)進行異形筒體零件的焊接，焊后目視檢查發(fā)現(xiàn)，零件內(nèi)側(cè)焊縫成形不均勻，表面氧化嚴重，表面氣孔數(shù)量較多，尤其是在焊縫曲線變化急劇的部位，同時也存在不同程度的錯邊。對零件焊縫進行X-ray射線檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫中存在不同程度的裂紋、夾渣、氣孔、夾鎢等缺陷，其中前三類缺陷占的比重較大。總之，異形筒體零件中焊接缺陷的存在嚴重影響了零件的交付質(zhì)量。

鎳基高溫合金異形筒體零件上、下半部的對接焊縫間隙0～3.0mm大小不等，導(dǎo)致零件焊接時熔透均勻性不好，背面焊縫的成形寬度不均勻，余高差別較大。同時，異形筒體零件上、下半部成形、校型時的內(nèi)應(yīng)力和回彈使零件在裝配定位焊時產(chǎn)生較大的拘束內(nèi)應(yīng)力，焊接時焊縫對基體母材的熱處理效應(yīng)使應(yīng)力釋放，引起焊縫急劇變化區(qū)錯邊。而零件焊接時的背保夾具不能隨焊縫的空間曲面變化，不能對焊縫進行完全保護，焊后焊縫局部區(qū)域存在氧化現(xiàn)象，更嚴重的是產(chǎn)生裂紋或氣孔，在焊縫根部產(chǎn)生應(yīng)力集中。

焊接裂紋是鎳基高溫合金異形筒體零件TIG焊中的重要缺陷，主要發(fā)生在零件的定位焊點上及零件方口、圓口端的收弧位置，這主要由三方面因素決定的：一是在定位焊結(jié)束時熄弧過快，使定位焊點收弧處產(chǎn)生較深的弧坑、氣孔和氧化現(xiàn)象，若定位焊點清理不徹底，背面氣體保護不完全，焊接時就會產(chǎn)生裂紋和氧化；二是在息弧過程中，若焊絲熔化的填充金屬不足，在焊縫金屬冷卻后焊縫金屬表面收縮后沒有金屬補充，或息弧時保護氣體關(guān)閉過早，就會在弧坑處出現(xiàn)弧坑裂紋和氧化缺陷；三是異形筒體上、下半部零件在外力作用下強制裝配定位，使零件的定位焊點存在較大內(nèi)應(yīng)力，在焊接時，定位焊點熔化，內(nèi)應(yīng)力釋放，就會在零件焊縫的大應(yīng)力處出現(xiàn)應(yīng)力開裂，若焊接速度較慢，則在該處容易形成較嚴重的錯邊缺陷。

結(jié)合鎳基高溫合金異形筒體零件的焊縫結(jié)構(gòu)特點和合金材料的焊接性能，提高TIG焊的焊接質(zhì)量，要從以下幾個方面著手：一是焊縫坡口尺寸要均勻一致，焊前清理完徹底，確保焊接時待焊區(qū)無其他影響焊縫質(zhì)量的物質(zhì)存在；二是鉗工配對時保證焊縫對接狀態(tài)良好，去除零件成形內(nèi)應(yīng)力，裝配定位焊時盡可能不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，減少焊縫拘束度；三是采用左向焊法焊接，焊槍角度與焊絲角度如圖4所示，焊接時氬氣可充分保護焊縫，送絲時也不會干擾氣流均勻性，易觀察焊縫熔池，焊透率最佳，同時可減小擺動幅度，獲得寬窄均勻，成形美觀的致密焊縫；四是焊接時注意清理定位焊點缺陷，控制層間溫度在177℃以下，層間缺陷徹底清理后再進行第二層焊接；五是焊接過程中要注意氬氣保護完全，鎢極尖部和焊絲加熱端必須處于保護氣體中，在保證不接觸零件的條件下，短弧施焊，同時應(yīng)用小電流降低焊接熱輸入量，以能焊透為準，避免零件產(chǎn)生熱裂紋；六是為防止焊縫端頭開裂，應(yīng)先從第一個定位焊點處反方向焊接一小段到零件的焊縫起始端，能防止產(chǎn)生端頭裂紋，這是因為焊接能使焊縫起始端不至于冷卻過快，讓焊接熔池有足夠時間完成結(jié)晶過程，焊縫兩側(cè)的拉應(yīng)力也有所減緩；焊接時在息弧時逐漸降低焊接電流，填滿火口避免產(chǎn)生息弧弧坑和裂紋等缺陷。通過采用上述措施后，異形筒體的焊接合格率高達90%以上。

圖4 焊絲與焊槍角度示意圖

2.3 焊接變形的控制

焊接變形是焊接過程中不可避免的問題。異形筒體零件在焊接過程中，焊縫結(jié)合區(qū)經(jīng)歷一個復(fù)雜的化學(xué)冶金和熱處理冶金過程，在焊縫部位發(fā)生不均衡應(yīng)力應(yīng)變變化，使零件產(chǎn)生焊接變形。異形筒體零件焊接時，焊接熱源局部加熱使焊縫結(jié)合區(qū)產(chǎn)生以熔池為中心的、非線性移動溫度場。溫度場的高溫區(qū)材料在焊接時膨脹量大，受周圍較小膨脹量的材料的限制而不能自由膨脹，使高溫區(qū)材料受擠壓，產(chǎn)生局部壓縮塑性應(yīng)變；在冷卻過程中，受壓縮塑性應(yīng)變的材料因不能自由伸張，而受到拉伸，于是零件中出現(xiàn)一個與焊接加熱時方向大致相反的內(nèi)應(yīng)力場。當異形筒體零件焊縫處的溫度降至室溫的焊接殘余應(yīng)力達到或超過零件材料屈服強度時，零件就會出現(xiàn)失穩(wěn)而產(chǎn)生焊接變形。而且異形筒體零件上、下半部型面復(fù)雜且不對稱，坡口尺寸一致性差，導(dǎo)致零件焊接收縮非常復(fù)雜，在截面徑向和軸向上表現(xiàn)顯著，而且這種錯綜復(fù)雜的焊接收縮與變形也很難控制。

異形筒體零件的焊接變形，可通過減小焊接過程中產(chǎn)生的縱向塑性壓應(yīng)力和增大冷卻階段縱向塑性拉應(yīng)力兩方面進行。而實際焊接中，控制焊接變形分為焊接前、焊接過程中及焊后三個階段。鎳基高溫合金異形筒體零件的焊接變形控制包含上述三個階段：焊接前對零件上、下半部進行固溶熱處理去除零件成形過程形成的內(nèi)應(yīng)力以及表面加工硬化，在裝配定位之后和正式焊接前在焊縫變化劇烈處增加定位焊點數(shù)量控制焊接變形；在焊接過程中控制鎢極尖頭始終保持在焊縫中間，使焊縫兩側(cè)在焊接過程中熔池加熱溫度保持均勻一致，同時也要減少熄弧的次數(shù)，盡量減少焊縫受熱不均現(xiàn)象，并采取分段法焊接零件，減小焊接線能量等措施；焊后控制焊接變形主要是校形，即對焊接變形超出技術(shù)規(guī)范要求的零件進行鉗工修整，室溫時，采用錘擊法將零件變形部位校正至符合技術(shù)規(guī)范要求是比較常用的。

結(jié)語

鎳基高溫合金異形筒體零件因型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易于采用手工鎢極氬弧焊（TIG）方法進行焊接加工。為保證鎳基高溫合金異形筒體的焊接質(zhì)量，要選擇合適的氬弧焊接工藝參數(shù)，做好焊前清理工作，焊接時采用小的焊接熱輸入量，采用左焊法進行焊接加工。在焊接過程中尤其要控制焊接裂紋的產(chǎn)生。焊接鎳基高溫合金異形筒體零件時，要在焊接前、焊接過程中和焊接后三個階段控制焊接變形，確保零件焊接質(zhì)量。

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