火焰筒襯套組件焊接變形分析與控制

齊躍舉

摘 要：航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高、制造難度大，是一個國家工業(yè)制造水平的最高體現(xiàn)。在航空發(fā)動機的眾多組件中火焰筒多采用的是薄板型材或是沖壓件焊接而成，由于火焰筒屬于大型薄壁件焊接過程中所產(chǎn)生的高溫容易造成火焰筒薄壁件產(chǎn)生溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力的存在會導(dǎo)致火焰筒出現(xiàn)變形而影響火焰筒的焊接質(zhì)量。本文在分析火焰筒焊接過程中變形規(guī)律的基礎(chǔ)上對如何采取有效的措施控制火焰筒的焊接變形進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：火焰筒襯套組件；焊接；變形；控制

中圖分類號：TK478 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

火焰筒是航空發(fā)動機中重要的組成部分，火焰筒為環(huán)形薄壁件其焊接變形的控制難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通平板型材的對接焊接，尤其是對于火焰筒所使用的鎳基耐熱合金、鈷基耐熱合金等材料其焊接難度更大，其在焊接中所產(chǎn)生的變形量更大也更不可控，為確保火焰筒具有良好的使用質(zhì)量，需要對于火焰筒襯套組件的焊接質(zhì)量進(jìn)行更加嚴(yán)格的把控。在火焰筒焊接過程中找出火焰筒焊接變形的特點與規(guī)律并采取相應(yīng)的措施來控制火焰筒焊接變形對火焰筒焊接質(zhì)量的影響。

1 火焰筒焊接變形特點與影響因素

火焰筒所使用的耐熱合金具有較好的耐熱性且焊接變形較大難以控制。火焰筒襯套組件是由3類高溫合金所構(gòu)成的環(huán)狀組焊結(jié)構(gòu)，其包括對接、角接等多種焊縫，焊接工程量大且復(fù)雜。火焰筒襯套組件焊接中所產(chǎn)生的焊接熱將加大火焰筒襯套組件內(nèi)的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力的存在導(dǎo)致火焰筒襯套組件冷卻過程中發(fā)生變形。焊接變形直接影響火焰筒襯套組件的使用質(zhì)量和使用壽命，需要采取相應(yīng)的處理措施來予以處理。

某型火焰筒襯套組件由4組焊接元件所組成：外環(huán)（HASTX材料）、馬鞍（HASTX材料）、內(nèi)環(huán)（N263材料）、耳片（FSX-414材料）。外環(huán)和內(nèi)環(huán)所使用的HASTX材料屬于鎳基高溫合金其在氧化和腐蝕方面有著良好的抗性，且具有較為良好的冷熱焊接性。內(nèi)環(huán)所使用的N263材料為鎳、鈷、鋁、鈦等元素所組成的高溫合金，其具有良好的高溫成形性和焊接性。在火焰筒襯套組件焊接時選用氬氣保護(hù)焊并經(jīng)過試驗確定焊接過程中選用100A的焊接電流和12L/min氬氣這一焊接參數(shù)能夠獲得良好的焊接效果。

在對火焰筒襯套組件中的馬鞍組件進(jìn)行焊接時采用對稱焊用以抵消減小焊接應(yīng)力，焊接采用3次滿焊工藝，第一次不使用焊絲焊接馬鞍角焊縫根部，第二次焊接至一半的厚度，最后一次焊滿并在后期處理時降低焊接電流以提高焊縫的平整性。馬鞍與外環(huán)之間的組焊采用氬弧塞焊焊接方式，并輔助以對稱焊減小焊接應(yīng)力。通過對火焰筒襯套組件焊接過程的各部進(jìn)行測量，觀測到火焰筒襯套組件焊接后的筒體在縱向產(chǎn)生了收縮變形和角變形。

在實際焊接中火焰筒襯套組件馬鞍與內(nèi)環(huán)接觸焊接處產(chǎn)生內(nèi)凹陷，這一凹陷無法采用液壓機脹形法進(jìn)行消除致使火焰筒襯套組件焊接后的精度超差。火焰筒襯套組件中的耳片與外環(huán)焊接后將會在熱應(yīng)力的作用下產(chǎn)生收縮變形和角變形致使焊接處產(chǎn)生內(nèi)塌陷。耳片焊接處所會產(chǎn)生的塌陷變形表現(xiàn)為撓曲變形，造成這一變形的根本原因在于火焰筒襯套組件中耳片焊接后在焊縫方向因不同厚度而造成角變形偏差，并最終導(dǎo)致耳片平面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。在火焰筒襯套組件焊接中焊接變形較為嚴(yán)重的主要有內(nèi)環(huán)與馬鞍、馬鞍與外環(huán)、外環(huán)與耳片3組不同位置的變形，且焊接變形幅度較大，嚴(yán)重的甚至能夠達(dá)到1.5mm左右，大幅超出設(shè)計焊接精度。如采用后期矯正方式來消除火焰筒襯套組件焊接中所產(chǎn)生的焊接變形，耗時耗力且成本較高。

總體來說火焰筒襯套組件焊接過程中內(nèi)環(huán)與馬鞍焊接處主要為橫向收縮變形、外環(huán)與耳片焊接處主要為縱向焊接變形，各處所產(chǎn)生的焊接變形幅度較大嚴(yán)重影響火焰筒襯套組件的使用質(zhì)量。通過對火焰筒襯套組件焊接過程中的變形情況進(jìn)行建模分析表明溫度梯度過大將會致使焊縫周邊產(chǎn)生大數(shù)值的殘余塑性應(yīng)變，殘余塑性應(yīng)變的存在將破壞火焰筒襯套組件結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性并最終導(dǎo)致火焰筒襯套組件產(chǎn)生焊接殘余變形。經(jīng)過建模計算火焰筒襯套組件焊接中內(nèi)環(huán)與馬鞍組件焊接中MX方向最大變形約為0.484mm，在對應(yīng)180°方向變形量為0.795mm，綜合計算后焊件在徑向總變形量為1.28mm，建模分析結(jié)果與實際焊接變形量相吻合，結(jié)合所建立模型來分析規(guī)劃火焰筒襯套組件焊接中控制焊接變形的可行性措施。

2 火焰筒襯套組件焊接變形規(guī)律總結(jié)與控制方案

火焰筒襯套組件在焊接過程中由于工序不同將產(chǎn)生不同的焊接變形，通過對火焰筒襯套組件焊接中所采用的對接、角接以及塞焊等焊接工藝所產(chǎn)生的焊縫變形特性進(jìn)行分析：火焰筒襯套組件中的內(nèi)環(huán)與馬鞍在焊接中其焊縫主要為橫向收縮變形，經(jīng)過建模分析與實際實驗測定內(nèi)環(huán)焊接后其圓度變形最大可達(dá)到1mm左右，馬鞍部分也會產(chǎn)生較大的橫向變形。火焰筒襯套組件的外環(huán)與耳片焊接變形主要為縱向收縮變形，耳片處的縱向收縮變形將導(dǎo)致耳片的焊接處向內(nèi)塌陷約0.8mm，角焊接變形所導(dǎo)致的縱向偏差最大能夠達(dá)到1.6mm，上述火焰筒襯套組件焊接后所出現(xiàn)的變形量將導(dǎo)致火焰筒襯套組件的尺寸公差嚴(yán)重超過火焰筒襯套組件的焊接精度要求。

在完成了對于火焰筒襯套組件焊接變形的定性分析后需要對火焰筒襯套組件焊接變形規(guī)律進(jìn)行建模分析，通過使用ANSYS軟件對火焰筒襯套組件焊接過程中的變形量進(jìn)行模擬分析以找出火焰筒襯套組件焊接變形規(guī)律，以便根據(jù)火焰筒襯套組件焊接變形規(guī)律合理地制定火焰筒襯套組件新的焊接方案。火焰筒襯套組件焊接變形量主要是由于焊接后的收縮變形力所導(dǎo)致的，因此，提高火焰筒襯套組件焊接質(zhì)量的關(guān)鍵在于抵消火焰筒襯套組件焊接中所產(chǎn)生的變形力。在火焰筒襯套組件焊接方案的制定上可以采用外加焊接夾具用以向火焰筒襯套組件施加一個外加力，利用焊接夾具剛性強的特點來減少甚至是消除火焰筒襯套組件焊接時的收縮力，從而避免火焰筒襯套組件焊接后產(chǎn)生大的收縮變形，提高火焰筒襯套組件焊接質(zhì)量。

3 火焰筒襯套組件焊接變形控制

在完成火焰筒襯套組件焊接變形規(guī)律的基礎(chǔ)上采取針對性的措施做好火焰筒襯套組件變形的控制。工裝夾具是焊接變形控制的有效舉措之一，結(jié)合火焰筒襯套組件的焊接變形特點合理地設(shè)計火焰筒襯套組件的焊接工裝夾具。在馬鞍與內(nèi)環(huán)焊接工裝夾具的設(shè)計上，采用墊板與頂緊塊組件相結(jié)合的方式來實現(xiàn)對于馬鞍與內(nèi)環(huán)的定位和夾緊，墊板用于調(diào)節(jié)馬鞍與內(nèi)環(huán)下表面的尺寸及平行度，頂塊組件用以調(diào)節(jié)馬鞍與內(nèi)環(huán)之間的相對角向位置。在焊接夾具中加裝脹緊機構(gòu)來控制內(nèi)環(huán)橫向收縮變形，提高馬鞍與內(nèi)環(huán)的焊接質(zhì)量。

馬鞍與外環(huán)焊接夾具與內(nèi)環(huán)相類似并與其有著類似的結(jié)構(gòu)，不同的是在內(nèi)環(huán)與馬鞍之間加裝了8塊墊塊用以完成對外環(huán)傳遞力的作用，加之銅墊塊的熱熔比較高能夠及時地對焊接接縫處所產(chǎn)生的熱量堆積進(jìn)行散熱，用以有效地控制焊接殘余變形，提高焊接質(zhì)量。

在完成了對于工裝夾具的設(shè)計與改進(jìn)后為了更好地對火焰筒襯套組件的變形進(jìn)行控制可以采取以下措施對變形進(jìn)行綜合控制。火焰筒襯套組件中的內(nèi)環(huán)是后續(xù)焊接定位的基準(zhǔn)，如果由于內(nèi)環(huán)焊接變形過大造成基準(zhǔn)出現(xiàn)偏差將使得火焰筒襯套組件的后續(xù)焊接產(chǎn)生極大的綜合性偏差，因此在火焰筒襯套組件焊接時首先需要做好內(nèi)環(huán)變形的控制，建立起準(zhǔn)確的基準(zhǔn)以提高后續(xù)焊接的質(zhì)量。在火焰筒襯套組件中馬鞍與內(nèi)環(huán)的焊接中其主要變形為焊縫的橫向收縮變形，可以采取以下措施對變形加以控制：

（1）在馬鞍與內(nèi)環(huán)焊接前采用反變形法，通過提前計算與預(yù)估焊接所造成的變形量的方向與大小在裝配時利用反變形法使得內(nèi)環(huán)產(chǎn)生彈性變形來與焊接變形相抵消，提高焊接質(zhì)量。

（2）通過對火焰筒襯套組件焊接參數(shù)進(jìn)行修改用以減小火焰筒襯套組件焊接時所產(chǎn)生的熱量堆積。對于火焰筒襯套組件焊接中耳片與內(nèi)環(huán)所產(chǎn)生的縱向收縮和角變形的控制可以采用以下措施：

①采用反變形法。對耳片組件進(jìn)行預(yù)處理用以使得耳片的提前變形與焊接所產(chǎn)生的變形相抵消，降低焊接變形所產(chǎn)生的影響。

②在焊接前使用剛性緊固法用以將耳片緊壓在定位面上，并用壓板對其進(jìn)行固定，借助于固定夾具的剛性固定校準(zhǔn)抵消火焰筒襯套組件焊接收縮所導(dǎo)致的變形，通過延緩或是消除焊接后所產(chǎn)生的變形用以確保火焰筒襯套組件焊接能夠取得較為良好的焊接質(zhì)量。調(diào)整火焰筒襯套組件焊接中所使用的焊接參數(shù)，減少熱輸入。

③加強火焰筒襯套組件焊接中的散熱。火焰筒襯套組件焊接中大量的熱量積聚在火焰筒襯套組件中將導(dǎo)致火焰筒襯套組件的焊縫與周邊區(qū)域存在著極為明顯的溫度差，而溫差的存將導(dǎo)致火焰筒襯套組件在焊接后因熱應(yīng)力的存在而產(chǎn)生收縮變形。因此在火焰筒襯套組件焊接過程中可以采取措施來加強焊接中的散熱，降低火焰筒襯套組件焊接時的溫差。為實現(xiàn)對于火焰筒襯套組件焊接中的強制降溫，可以在火焰筒襯套組件焊接中在內(nèi)外環(huán)之間加裝銅塊用以對焊接熱進(jìn)行強制散熱，減少熱量在焊縫處的堆積用以使得內(nèi)外環(huán)焊接處與周邊沒有明顯的焊接溫度差，減少因熱應(yīng)力所導(dǎo)致的變形。

結(jié)語

火焰筒襯套組件焊接熱變形是多種因素共同作用的結(jié)果，為確保火焰筒襯套組件焊接質(zhì)量需要針對導(dǎo)致火焰筒襯套組件焊接變形的因素采取針對性的措施來控制火焰筒襯套組件的焊接變形量，確保火焰筒襯套組件焊接取得良好的效果。本文結(jié)合火焰筒襯套組件焊接變形特點對如何采取合理的措施來控制火焰筒襯套組件焊接變形量，提高火焰筒襯套組件的焊接質(zhì)量。

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