GH738金屬封嚴圈的微束等離子焊接

宋文清，曲 伸，石豎鯤，高 山

（沈陽黎明航空發動機集團（有限）責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 前言

隨著航空發動機性能的不斷提高，內流損失日益成為影響發動機性能、燃油效率的主要因素之一，而可靠的封嚴結構是減少內流損傷的有效途徑[1]。某大推重比發動機低壓渦輪導向器與外部機匣間采用GH738金屬封嚴圈設計結構，其通過內外氣流壓差使封嚴圈與接觸端面彈性漲緊，在大大減少渦輪內部燃氣泄漏的同時，又保證了外部高壓冷氣對導向器葉片的冷卻效果。GH738金屬封嚴圈結構如圖1所示。

圖1 GH738金屬封嚴圈Fig.1 Sealing ring of GH738 superalloy

GH738金屬封嚴圈成形截面為ω型，壁厚0.25 mm，截面最大寬度6.2 mm，直徑達800 mm以上且成形精度高。封嚴圈成形工藝主要由帶材焊接、成形、熱處理以及精整等工序組成。根據封嚴圈設計結構和成形特點，焊接在整個封嚴圈加工過程中十分重要，對焊縫質量、焊接變形和塑性成形等均提出了更高要求。采用微束等離子焊接封嚴圈零件，具有電弧穩定、焊接速度快、焊縫窄、熱影響區小、焊接變形小[1]等優點。在此重點介紹GH738金屬封嚴圈的微束等離子焊接，包括材料焊接性分析、工藝過程、組織性能驗證等。

1 試驗方法

1.1 試驗材料及其焊接性

GH738合金是以γ‘相沉淀硬化的鎳基高溫合金，具有良好的耐燃氣腐蝕能力、較高的屈服強度和疲勞性能[2]。GH738合金冷軋帶材的化學成分如表1所示。

表1 GH738合金冷軋帶材的化學成分Tab.1 Chemical composition of GH738 Superalloy %

判定高溫合金的焊接性以鋁、鈦含量（Al-0.84Ti值）為主要標志，高鋁、鈦含量的沉淀強化高溫合金容易在熔池凝固過程中在晶界形成低熔點共晶物[3]，同時不規則或聚集的碳化物也會在晶界上形成低熔點共晶物，最終表現為焊縫或熱影響區的熱裂紋缺陷。根據高溫合金焊接性的特點，可以采用焊前固溶或退火處理、高能束焊接方法以及小電流、快速焊工藝參數來改善焊接性和減小過熱傾向。GH738金屬封嚴圈焊前為退火熱處理狀態，通過擬定減小過熱的控制方法開展工藝試驗。

1.2 試驗設備和夾具

采用ABB IRB1600機器人系統、SAF Plasmafix 51微束等離子電源和SP45自動水冷焊槍進行焊接工藝試驗。該試驗設備具備軌跡示教、程序自動焊接、預先提前送氣、滯后停氣時間等功能，并可調節電流波形，改善起弧和收弧控制。

采用3B377-1242專用焊接夾具，如圖2所示。為保證0.25 mm帶材可靠壓緊且不損傷零件，在設計上未采用常規的琴鍵式夾具，而是采用了雙層壓板和局部加強頂緊的結構，壓板間距在6 mm范圍內獨立可調。紫銅墊板設計了成形槽并每隔50 mm鉆有φ1.0 mm背面保護通氣孔。

圖2 專用焊接夾具照片Fig.2 Photograph of the fixture for micro-plasma arc welding

2 工藝試驗

2.1 焊前準備和裝配

焊前用奧氏體不銹鋼絲刷或旋轉鋼絲刷進行機械清理，保證徹底清除接頭處及兩側不小于6 mm范圍內的氧化物、油污，并用干凈的白棉布或綢布蘸酒精或丙酮對接頭處進行脫脂處理，接頭處不允許殘留布纖維。將試片放置于專用對接夾具上，裝配對接間隙應不大于0.10mm，錯邊量不大于0.10 mm，裝配時邊找正邊擰緊壓緊螺母。

開啟并檢查微束等離子電源和焊槍，設備狀態指示處于正常，無報警信息，檢查鎢極尖端燒損（一般尖端磨成10°~15°）、鎢極伸出長度、鎢極同心度情況等。測試離子氣流量和保護氣體流量，應能精細調節，氣閥電路的控制應可靠。

檢查完畢后開啟維弧，維弧即鎢極與噴嘴之間產生的電弧，由于管路內殘留空氣可能導致非穩態電弧的產生，如維弧始終處于不穩定或亞穩定狀態，則需要檢查微束等離子焊槍，判定電極是否燒損，導電嘴是否堵塞，電極伸出長度是否符合標準件對應長度等。如維弧穩定燃燒，即可將焊槍移至距工件約2 mm處，工件表面會形成一個電弧斑點，利用電弧斑點對焊接軌跡進行示教并設置焊接工藝參數。

2.2 焊接工藝參數

微束等離子焊接工藝參數包括焊接電流、焊接速度、離子氣體流量、保護氣體流量、壓縮噴嘴直徑、保護噴嘴直徑、鎢極直徑、鎢極伸出長度、壓縮噴嘴距工件距離、電源種類和極性等。采用直流脈沖焊接時，還有脈沖頻率、脈沖寬度、峰值電流和基值電流等參數；為提高保護效果和控制起弧、收弧，還可以設置起弧電流和時間、收弧電流和時間、上升沿和下降沿時間以及預先送氣和滯后停氣時間等參數。

焊接工藝參數試驗主要調整焊接電流、焊接速度和離子氣流量。這三個參數對焊縫成形尺寸、熔深的影響最為明顯。如離子氣流量越大電弧穿透力越強，表現為熔深增加，但過大會產生燒穿和接頭自熔現象。具體試驗工藝參數如表2所示。

表2 GH738合金微束等離子焊接工藝參數Tab.2 Micro-plasma arc welding process parameter of GH738 superalloy

3 結果討論與分析

3.1 焊縫成形

相對于氬弧焊，微束等離子焊電弧集中度更高，電流密度更大，在保證更大熔深的情況下可以實現更小的電流規范和更大的焊接速度，而離子氣流量所體現的電弧穿透能力是實現上述優勢的直接條件。因此，對于不銹鋼和高溫合金材料，焊接手冊及相關文獻中[4]提供的離子氣流量參數均在0.2 L/min以上。本試驗采用W1~W3工藝參數在焊接同樣厚度的0Cr18Ni9和GH536合金均能獲得較好的焊縫成形，焊縫寬度控制在0.8～1.0 mm。而在焊接GH738合金時，焊縫背面出現了縮溝現象，對試片進行手工反復彎曲時，出現了宏觀裂紋甚至斷裂現象。對于采用W4工藝參數焊接時，在試片局部間隙或錯邊較大處出現燒穿或局部自熔現象，同時焊縫背面縮溝現象無明顯改善。分析認為，在焊接過程中，GH738合金液態金屬流動性差，采用較高的焊接速度和較大的離子氣流量，導致焊縫背面填充金屬不足、熔合能力降低，形成縮溝，同時背面保護效果也會對縮溝缺陷產生影響。

后續試驗中將離子氣流量降低到0.1 L/min，并適當降低了焊接速度和焊接電流，既保證100%熔透又防止局部燒穿或自熔，焊縫成形寬度在1.1～1.3 mm（W5和W6工藝參數）。觀察焊縫背面成形無縮溝和熔合不良現象，又進行反復手工彎曲試驗，試片彎曲部位位于焊縫一側的基體上。經對比兩組工藝參數的焊縫成形，選取W5為最佳工藝參數（試片焊縫成形見圖3）。因此，在微束等離子焊接不銹鋼或高溫合金時，基體材料的液態金屬流動性對焊縫成形具有顯著作用。

圖3 GH738合金微束等離子焊縫外觀成形Fig.3 Weld appearance of GH738 superalloy for microplasma arc welding

3.2 金相組織

分別對采用工藝參數W1、W3和W5的焊接試片進行金相組織分析，如圖4所示。圖片中央部位為焊縫區，焊縫區可見奧氏體晶界，晶內為等軸枝晶組織，晶內和晶界分布有析出碳化物[5]。其中W5冷卻速率最慢，熱輸入量最大，焊縫晶粒尺寸較大約200 μm，即使靠近熔合線附近等軸枝晶仍不明顯，但未發現過熱傾向較大產生的高溫結晶裂紋；W1和W3冷卻速率較快，等軸枝晶明顯，靠近熔合線附近可見柱狀晶組織，由于W1冷卻速率最快，等軸枝晶和柱狀晶呈針狀。從金相照片對比焊縫成形狀態可知，W1焊縫表面粗糙、過渡不均勻，甚至局部焊縫表面存在微觀切口，而W5焊縫表面過渡均勻，金屬凝固完全、鋪展性好。

圖4 不同焊接工藝參數焊縫金相組織對比Fig.4 Metallographic contrast analysis of different welding process parameters

焊縫兩側的近縫區由單相奧氏體組成，晶內伴有大量孿晶組織，晶界和晶內有少量碳化物呈彌散分布[6]，晶界碳化物Cr23C6未見類似條帶狀分布，組織穩定性好，液化裂紋傾向小。W1和W3焊縫區兩側未見明顯的熱影響區和晶界加粗現象，晶粒尺寸未見改變；W5焊縫區兩側可見熱影響區晶粒長大現象，熱影響區寬度約100 μm。

由上述分析可以判斷，微束等離子焊接工藝參數對焊縫冷卻速率、表面成形狀態、凝固結晶組織以及焊縫成形寬度的影響。

3.3 力學性能

分別對采用工藝參數W1、W3和W5的焊接試片（試片規格 200 mm×15 mm×0.25 mm）進行常規力學性能測試，熱處理狀態分別為焊態（退火態焊接）、固溶+穩定化狀態、固溶+穩定化+時效狀態，具體測試結果如表3～表5所示。

由表3可知，W1~W5試片室溫抗拉強度值均無法達到標準參考值下限，強度損失較大。W5相對較好，抗拉強度值相當于標準參考值的75%～85%，與通用焊接標準拉伸性能指標接近（航空發動機通用熔焊標準規定：不加填充金屬或去除焊縫余高的對接接頭其拉伸強度不低于母材強度極限下限值的85%）；延伸率指標基本符合標準參考值。

表3 微束等離子焊縫常規力學性能測試（焊態）Tab.3 Tensile strength,yield strength and elongation of the weld as welded

表4 微束等離子焊縫常規力學性能測試（焊后固溶+穩定化處理）Tab.4 Tensile strength，yield strength and elongation of the weld after postweld for solution and stabilizing treatment

由表4可知，焊態試片經固溶和穩定化處理后，焊縫強度指標明顯提升，固溶強化效果顯著。W5得益于良好的焊縫成形，斷裂位置處于遠離焊縫的基體區。盡管表4中沒有標準參考值，但從基體實測值可以看出：焊縫拉伸強度經熱處理后得到加強，W1和W3拉伸強度值已達到基體實測值的85%，而W5拉伸強度值超過基體。

由表5可知，焊態試片經固溶、穩定化處理和時效熱處理后，焊縫強度指標進一步提高，突出了時效強化效果。W1~W5焊縫拉伸強度值已達到標準參考值的100%，而W5延伸率值和斷裂位置依然表現較好。

綜上可以判定，微束等離子焊接工藝參數對焊縫拉伸強度、延伸率標準的力學性能指標的影響，同時焊后熱處理對GH738合金力學性能影響更為顯著。

表5 微束等離子焊縫常規力學性能測試（固溶+穩定化處理+時效）Tab.5 Tensile strength，yield strength and elongation of the weld after postweld for solution，stabilizing and ageing treatment

4 焊接工藝

根據工藝試驗結果和分析結論，對GH738金屬封嚴圈零件進行了微束等離子焊接，采用W5焊接工藝參數，并加強了保護效果，防止由于局部氧化導致接頭強度和塑性損失。焊前裝配階段嚴格控制接頭間隙和錯邊量，特別是在起弧階段尤為重要，否則極易形成燒穿或自熔現象。由于采用了較大的焊接熱輸入規范，焊接夾具應保證可靠壓緊，壓板間距盡量控制在3 mm以內，防止產生較大變形和錯位。在焊接工藝參數設置上還應精確設定起弧、收弧電流和時間，防止形成針孔狀弧坑。焊后進行目視檢查和熒光滲透檢驗，對于局部燒穿或自熔的零件，可以采用鎢極氬弧焊添絲補焊或切除焊縫重新進行微束等離子焊接。

應用本焊接工藝共計已生產金屬封嚴圈零件30余件，焊后進行的成形工序未發現裂紋和斷裂現象，塑性儲備充足。微束等離子焊接GH738金屬封嚴圈結束了我國長期進口金屬封嚴圈的歷史，真正實現了從技術研發到生產的自主國產化進程。

5 結論

（1）GH738合金在焊接過程中，液態金屬流動性差，采用焊接速度低和離子氣流量小的W5焊接工藝參數能夠獲得較好的焊縫成形質量。

（2）GH738合金采用W5焊接工藝參數，具有較大的焊接熱輸入，金相組織檢查未發現熱裂紋傾向，微觀表面過渡均勻，金屬凝固完全、鋪展性好。

（3）通過對W1~W5焊接工藝參數試片進行不同熱處理狀態室溫拉伸測試，結果表明GH738合金焊后熱處理強化效果顯著，采用W5焊接工藝參數的試片室溫拉伸強度和塑性指標最佳。

（4）GH738金屬封嚴圈應用微束等離子焊接工藝，已實現小批生產能力，焊后成形性好、塑性儲備充足。

[1]陳禮順.航空發動機封嚴技術的研究和應用進展[J].航空制造技術，2008（8）：82-84，95.

[2]中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊（第二卷）[M].北京：中國標準出版社，2002.

[3]宋文清.K4104合金渦輪導向葉片的補焊技術[J].焊接技術，2010（10）：69-72.

[4]田嘉禾、楚玉盈.特種焊接新技術實用手冊[M].上海：當代中國音響出版社，2004.

[5]中國機械工程學會焊接學會編著.焊接金相圖譜[M].北京：機械工業出版社，1987.

[6]郭建亭.高溫合金材料學（下冊）[M].北京:科學出版社，2008.