薄壁零件自動(dòng)氬弧焊焊接工藝分析與優(yōu)化

衛(wèi)蓉芳

（西安西航集團(tuán)萊特航空制造技術(shù)有限公司， 西安710021）

0 前 言

渦輪中心架轉(zhuǎn)接管封嚴(yán)環(huán)是中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)“西航公司”） 承接的某公司氬弧焊焊接產(chǎn)品。該零件為大型薄壁環(huán)形類(lèi)零件， 焊接厚度為0.8 mm， 焊接后輪廓度和錯(cuò)邊要求較高； 這類(lèi)零件對(duì)焊接參數(shù)變化比較敏感， 焊接參數(shù)選擇裕度不大； 焊接過(guò)程容易產(chǎn)生失穩(wěn)， 引起波浪變形[1]。 通過(guò)選擇合適的焊接方法， 設(shè)計(jì)合理的焊接坡口形式， 才能夠較好地保證焊接錯(cuò)邊合格、 減少焊接變形等問(wèn)題的發(fā)生。 針對(duì)這些問(wèn)題和難點(diǎn)， 本研究對(duì)該類(lèi)產(chǎn)品的焊接工藝進(jìn)行了研究。

1 結(jié)構(gòu)分析及焊接要求

渦輪中心架轉(zhuǎn)接管封嚴(yán)結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 在外圓側(cè)和內(nèi)孔側(cè)對(duì)零件P1、 P2 和P3 進(jìn)行全圓焊接， 焊接后對(duì)焊縫進(jìn)行熒光探傷、 射線(xiàn)檢查，驗(yàn)收要求見(jiàn)表1。

圖1 渦輪中心架轉(zhuǎn)接管封嚴(yán)結(jié)構(gòu)示意圖

焊后焊縫區(qū)域輪廓度為1.0 mm， 其中P1是由0.8 mm 厚的Incol718 鈑金沖壓成型， P2和P3 由鍛件機(jī)械加工成型。 該零件焊接難點(diǎn)在于焊前的裝配和焊接過(guò)程變形的控制。 由于P1 為鈑金沖壓成型， 尺寸公差范圍較大， 需要保證焊后錯(cuò)邊合格， 所以應(yīng)嚴(yán)格控制焊前錯(cuò)邊量。

表1 渦輪中心架轉(zhuǎn)接管封嚴(yán)環(huán)焊縫驗(yàn)收要求

2 焊接工藝分析

Incol718 材 料 主 要 含Ni－Cr－Fe 高 溫 合 金（見(jiàn)表2）， 經(jīng)過(guò)沉淀硬化處理， 具有很好的抗蠕變性能， 高溫下仍具有很好的強(qiáng)度。 該材料在固溶處理狀態(tài)下， 焊接性能良好， 被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上[2-3]。

表2 Incol718 高溫合金主要化學(xué)成分 %

Rene41 材料是沉淀硬化型高溫合金， 主要成分為Ni－Cr－Co－Mo （見(jiàn)表3）， Rene41 焊接后熱處理時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋傾向， 所以在焊前固溶緩慢退火， 焊后消除焊接應(yīng)力時(shí)應(yīng)快速加熱通過(guò)時(shí)效硬化溫度區(qū)間， 這樣可消除應(yīng)變時(shí)效開(kāi)裂傾向[4]。

表3 Rene41 高溫合金主要化學(xué)成分 %

3 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料選用固溶態(tài)的Incol718 和Rene41。根據(jù)零件的材質(zhì)和厚度， 選用高頻脈沖弧焊電源[5-7]。 直流脈沖氬弧焊焊接電源是通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖電流幅值、 基值電流大小、 脈沖電流持續(xù)時(shí)間和基值電流持續(xù)時(shí)間以控制熱輸入。 其優(yōu)點(diǎn)是： 可以精確的控制熱輸入量和熔池尺寸； 較低的熱輸入可以獲得較大的焊縫厚度， 減小焊接過(guò)程的變形， 適合薄板 （1 mm 以下） 焊接； 每個(gè)焊點(diǎn)加熱及冷卻迅速， 適用于導(dǎo)熱性和厚度差別大的焊件。 電源選用高頻雷姆焊接電源REHm240DC，脈沖頻率為0～15 000 Hz。

圖2 焊接接頭形式

焊接接頭形式如圖2 所示， 相對(duì)于平口對(duì)接接頭， 其優(yōu)點(diǎn)是： 可以保證裝配間隙， 便于控制錯(cuò)邊量， 保證焊后錯(cuò)邊合格； 采用不填絲的自動(dòng)焊接方法， 焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。 使用丙酮清洗劑將焊接接頭區(qū)域清理干凈； 裝配P1 和P2 點(diǎn)焊固定； 然后裝配P3 點(diǎn)焊固定。點(diǎn)焊后， 檢查錯(cuò)邊量≤0.1 mm， 然后對(duì)零件進(jìn)行焊接。

表4 調(diào)整前的焊接工藝參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 焊縫檢查

焊接后， 根據(jù)客戶(hù)要求對(duì)焊縫目視檢查， 除圖3 所示焊縫背面凹陷外， 無(wú)裂紋、 咬邊、 未熔合、 未焊透和氣孔等其他焊接缺陷； 焊接后零件P1 變形嚴(yán)重（如圖4 所示）， 導(dǎo)致焊接錯(cuò)邊和焊縫區(qū)域輪廓度超差， 不符合設(shè)計(jì)要求。 零件波浪變形嚴(yán)重， 對(duì)波浪變形區(qū)域采用手工機(jī)械冷校型， 焊后熱處理去除應(yīng)力后， 熒光檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫熔合線(xiàn)區(qū)域有垂直于焊縫的縱向線(xiàn)性顯示（如圖5 所示）， 不符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 調(diào)整焊接工藝參數(shù)前的焊縫截面形貌

圖4 焊接后零件P1 變形照片

圖5 焊縫熒光檢測(cè)結(jié)果

4.2 原因分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析， 認(rèn)為解決焊后錯(cuò)邊和熒光顯示問(wèn)題， 必須解決焊接過(guò)程中的焊接變形問(wèn)題。 薄壁件焊接變形控制具有復(fù)雜和多變性， 焊接件P1 一次沖壓成型后， 會(huì)導(dǎo)致壁厚最大減薄0.08 mm， 所以實(shí)際焊接最薄厚度僅0.72 mm， 剛性較差， 抵抗應(yīng)力變形的能力較差， 焊接后， 在焊縫區(qū)域存在拉應(yīng)力，而在距離焊縫較遠(yuǎn)處存在壓應(yīng)力， 當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力時(shí)， 薄板件P1 就會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)， 形成波浪變形。 焊接熱輸入對(duì)焊接變形的影響非常關(guān)鍵， 尤其是對(duì)薄壁零件的焊接[8-10]， 從圖3 可以看出， 焊縫背面凹陷， 焊縫寬度較寬， 所以需對(duì)焊接電流和焊接速度優(yōu)化調(diào)整。

產(chǎn)生熒光顯示的原因是： 一方面是波浪變形在機(jī)械校型后造成了沿焊縫垂直方向的撕裂； 另一方面， Rene41 材料焊接后在熱處理時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋傾向， 所以焊后進(jìn)行固溶和沉淀硬化處理時(shí)， 合理的熱處理?xiàng)l件很關(guān)鍵。

4.3 控制焊接變形具體措施

圖6 扇形環(huán)輔助夾具

（1） 結(jié)合零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)扇形環(huán)輔助夾具 （如圖6 所示）， 夾具選擇與零件P1 材料一致的GH4169。 該夾具在零件裝配點(diǎn)焊后， 支撐于內(nèi)型腔， 與P1 零件內(nèi)孔緊密貼合， 在焊接過(guò)程中對(duì)P1 件有約束固定作用， 抵抗P1 剛性不足導(dǎo)致的波浪變形， 還有助于P1 件的散熱， 降低局部過(guò)熱甚至燒穿的風(fēng)險(xiǎn)， 同時(shí)有利于保證焊接后P1 的輪廓度要求。

（2） 鈑金沖壓后， 圓度和直徑尺寸公差范圍較大， 導(dǎo)致裝配間隙分布不均， 所以在裝配前對(duì)鈑金件P1 裝配尺寸做滾圓與校型預(yù)處理， 保證裝配間隙在0.15 mm 以?xún)?nèi)。 點(diǎn)焊時(shí)， 先對(duì)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)定位32 處， 然后加密定位焊焊點(diǎn)， 保證焊點(diǎn)間距不大于10 mm， 增加焊件的剛性， 減少焊接過(guò)程的變形， 控制焊接錯(cuò)邊。

（3） 調(diào)整焊接參數(shù)， 減小焊接熱輸入[11]。 薄板件P1 抵抗彎曲變形的能力降低， 所以在保證焊縫成形良好的情況下， 盡可能減少焊接熱輸入， 保證焊接應(yīng)力和焊接變形均最小。 針對(duì)影響熱輸入關(guān)鍵因素電流、 電弧電壓和焊速， 在弧壓保持不變條件下， 增大焊接電流和焊接速度， 減小焊縫寬度和熱影響區(qū), 調(diào)整后參數(shù)見(jiàn)表5。 根據(jù)總焊接能量計(jì)算公式E=IUη/v， 將表4 和表5的數(shù)據(jù)分別代入公式進(jìn)行計(jì)算， 發(fā)現(xiàn)調(diào)整后的焊接能量比調(diào)整前降低了近1.7 倍。

表5 調(diào)整后的焊接工藝參數(shù)

（4） 根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖要求， 焊后對(duì)整體組件先固溶處理， 然后在進(jìn)行沉淀硬化熱處理時(shí)， 結(jié)合Rene41 焊后熱處理容易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋傾向的特點(diǎn)， 以15 ℃/min 的升溫速度快速加熱通過(guò)時(shí)效硬化溫度區(qū)間， 避免時(shí)效開(kāi)裂傾向。

4.4 改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)以上措施和參數(shù)的改進(jìn)， 重新焊接零件， 焊接后零件形變得到控制， 焊縫區(qū)域零件輪廓度和焊后錯(cuò)邊滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求， 焊縫背面無(wú)凹陷， 焊縫表面成形良好， 與母材圓滑連接（如圖7 所示）。

圖7 調(diào)整焊接工藝參數(shù)后的焊縫截面形貌

4.4.1 無(wú)損檢測(cè)

按照客戶(hù)要求對(duì)焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)， 檢查結(jié)果無(wú)表面氣孔、 表面裂紋及咬邊等缺陷， 試驗(yàn)結(jié)果合格。 按照客戶(hù)要求對(duì)焊縫進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)， 焊縫內(nèi)部無(wú)裂紋、 夾渣、 氣孔等缺陷， 試驗(yàn)結(jié)果合格。

4.4.2 宏觀檢測(cè)

按照客戶(hù)要求， 對(duì)垂直于焊道方向焊接接頭橫截面進(jìn)行宏觀金相檢測(cè)， 在100 倍放大鏡下觀察， 受檢截面未出現(xiàn)裂紋、 氣孔、 夾渣、 未熔合及未焊透氣孔等缺陷， 測(cè)量余高和錯(cuò)邊量， 符合客戶(hù)要求。

4.4.3 微觀組織檢測(cè)

按照客戶(hù)要求對(duì)焊縫接頭進(jìn)行微觀組織檢測(cè)。焊縫不同位置的顯微組織形貌如圖8 所示， 對(duì)比熱影響區(qū)（見(jiàn)圖8 （c）） 和母材（見(jiàn)圖8 （a）） 的顯微組織， 未發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)晶粒有明顯長(zhǎng)大； 靠近熔合線(xiàn)的胞狀晶（見(jiàn)圖8 （c））， 隨著組織向焊縫中心生長(zhǎng)， 漸變?yōu)橹鶢顦?shù)枝晶[12]（見(jiàn)圖8 （b））；越靠近焊縫中心， 晶粒尺寸越大， 焊縫中心為等軸狀樹(shù)枝晶， 柱狀晶生長(zhǎng)方向大致垂直于熔合線(xiàn)。焊縫組織致密， 無(wú)氣孔、 夾渣， 焊縫及熱影響區(qū)無(wú)顯微裂紋。

圖8 焊縫不同位置顯微組織形貌

5 結(jié) 論

（1） 通過(guò)對(duì)該零件的氬弧焊焊接工藝試驗(yàn)，制定了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的焊接工藝參數(shù)。

（2） 通過(guò)設(shè)計(jì)扇形環(huán)輔助夾具可有效解決焊接變形， 保證了焊接區(qū)域輪廓度要求和錯(cuò)邊要求。

（3） 該零件的成功試制， 為大型超薄壁類(lèi)零件焊接打下基礎(chǔ)， 在參數(shù)選擇方面和解決焊接變形方面積累了經(jīng)驗(yàn)。