無余量高壓機匣安裝座焊接的研究

李塞川 尹小波 楊樹余

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

GE90航空發動機是美國通用電氣公司研制的高涵道比商用超大推力渦扇發動機。高壓渦輪靜子機匣是GE90發動機的一個機匣安裝座焊接組合件，圖紙對焊接質量和尺寸有嚴格的要求，因此如何控制焊接質量，保證設計尺寸和技術條件是完成焊接工作的重點內容。

1 零件的結構特點及要求

零件的結構為分別在8個機匣外壁的小孔上氬弧焊焊接8個安裝座,零件實物見圖1。

技術要求：零件焊接后安裝座位置度0.76mm和槽口垂直度2.0mm。

尺寸要求:安裝座端面到機匣中心的距離601.218±0.76mm；安裝座熱處理焊接變形后直徑56.97min。

焊接質量要求:焊縫100%焊透、100%熔合;焊縫錯邊不大于0.5 mm；焊縫正反面余高不大于0.76 mm;焊后進行熒光檢查焊道表面，應無裂紋線性顯示等缺陷。

圖1 高壓渦輪靜子機匣

圖2 夾具與零件裝配示意圖

2 材料

機匣與安裝座的材料均為為鎳基高溫合金，機匣材料 Rene41是沉淀硬化形鎳基變形高溫合金，含 Al、Ti較高，在 650℃-980℃范圍內具有較高的強度和較好的抗氧化性能；安裝座材料Inconel625是以Mo，Nb為主要強化元素的固溶強化鎳基變形高溫合金，具有較高的抗氧化性，抗腐蝕性。兩者均具有較好的焊接性能。焊絲材料為設計圖規定的AMS5837,成分與Inconel625基本一致,化學成分見表1。

表1 材料化學成分（重量%）

3 零件焊接工藝方案

3.1 工藝安排

考慮到如果安裝座預留余量，組合焊接及熱處理后零件的變形，會使后續的機械加工的安裝座壁薄厚不一致，而且工藝路線安排極其困難，加工成本極高；故采用無余量安裝座進行焊接，焊接后進行熱處理，校正安裝座變形等工序保證設計要求。

焊接安裝座主要工藝順序：焊前清理→裝配定位焊→焊接→清理焊縫→擦拭腐蝕→熒光檢查→ 補焊→真空時效熱處理（如果安裝座位置度有變化可通過熱校型后進行2次真空時效熱處理）→手工校正安裝座圓度。

3.2 焊接設備

手工氬弧焊機林肯TIG355為交直流方波氬弧焊機，特點及用途:輸出焊接電流范圍2A-400A，交、直流兩用，可高頻起弧、收弧衰減，預通氬氣及延遲通氣，穩弧性能好，可焊接薄、中、厚多種板材。

焊接變位器可兩軸旋轉：水平翻轉和垂直旋轉。

3.3 焊接夾具

根據設計圖的要求、零件的具體形狀和焊接工藝特點夾具應能保證安裝座的焊后位置度和垂直度，焊接錯邊，正反面成形良好，正反面氬氣保護良好并限制安裝座直徑變形。由于安裝座位置度的定位基準為機匣單個凸臺的底孔，與8處機匣凸臺孔整體位置無關，只相當于每個安裝座圓口與機匣凸臺底孔的同軸度，夾具可制造成8個同樣的夾具，各自組裝。零件焊縫焊透后，背面有一定的余高，為不影響夾具的取下，夾具設計應為分體式結構（見圖2），焊接完成后分別從機匣兩側取出夾具。

3.4 焊接參數選擇及工藝評定確定的焊接參數如下：

焊絲牌號和直徑：AMS5837 ф1.2 mm

鎢極牌號:WCe20 ф3.0mm

保護氣體:氬氣，純度:99.995%

焊槍氬氣流量:8-12L/min背面氬氣流量:1-焊接電流:70A max電源極性:直流 正接焊接位置:平焊和橫焊

4 焊接存在的問題及解決方案

從零件的圖3看出焊縫的接頭形式大部分為對接V型坡口，由于兩側各有一角型臺階,故形成了兩處下部為單面V型坡口，上部為角焊縫的接頭形式；除角部外，焊接部位壁厚度 1.91mm(機匣)和 1.71mm（安裝座），角部突出部位高度約2mm。利用模擬機匣的進行了焊接試驗加工，包括焊槍的角度調整，焊接方向的選擇，焊縫可達部位的最佳選擇以及在焊接變位器上如何正確調整焊接位置。我們將機匣固定在焊接變位器的轉盤上，這樣機匣就可以在轉盤上水平、傾斜或垂直旋轉，使焊工能夠輕松的選擇焊接最佳角度與位置，經過對此機匣的焊接，發現有如下焊接問題：縫的突出部位局部角焊縫表面有氧化現象。

B.焊接收縮量的控制和焊接位置度的控制。

C.焊接后安裝座圓口的直徑變形問題。解決方案

針對上述問題，我們采取了一些措施：

A.未焊透的現象我們認為主要原因是角部突出部位厚度比其他位置大；焊接速度快；焊槍與焊道角度不垂直，導致熔深不夠；整體機匣比模擬件導熱快。為此我們在焊接時適當調整焊槍角度，降低焊接速度，加大焊接電流。采用上坡焊，避免下坡焊。

氧化現象主要原因是角部突出部位的側面擋住了焊槍噴嘴，使氬氣不能直接吹到焊縫熔池表面。通過調整焊槍角度和改變焊接方向，局部由左焊法改為右焊法。

B.焊接收縮量根據零件的尺寸要求焊后安裝座端面到機匣中心601.218±0.76mm，預留機匣凸臺端面到機匣中心553.09±0.1mm，安裝座高度49.02±0.05 mm，定位焊后尺寸為602.11±0.15mm。焊接收縮量最小0.5 mm，焊后可符合尺寸要求。安裝座圓口位置度通過夾具的控制，熱處理后的位置度變形通過熱校型控制。零件經時效熱處理后安裝座位置度有所變化，根據圓口的偏擺方向（沿圓周角向偏移或軸向偏移），確定采用局部加熱的熱矯形法對零件進行返修，使用氬弧焊電弧作熱源，對局部焊道進行加熱，使其收縮產生反向變形。

C.安裝座圓口的直徑焊前尺寸為57.15±0.05 mm，焊后及熱處理后要求直徑為最小56.97mm，見圖3，如果不加以控制尺寸無法保證。未安裝防變形夾具熱處理后尺寸，圓度為1.0mm。為此我們設計了安裝座防變形熱處理夾具，形狀為一個圓柱片，厚度9mm，夾具材料與安裝座一致為Inconel 625，熱處理時裝入圓口內，撐緊圓口并隨零件入爐，放入矯形夾具進行熱處理后多數安裝座取下夾具不用校正圓口尺寸就合格，個別安裝座直徑最小為56.8mm，最大為57.2 mm，經過手工校正后很容易滿足了尺寸要求56.97mm，校正時采用左旋和右旋螺栓的脹力將圓口撐圓。

結論

焊接變形是焊接件加工中的一大難題，通過對機匣無余量安裝座焊接研究使我們積累了安裝座焊接經驗。

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