基于數(shù)值模擬分析的合金焊接工藝優(yōu)化試驗

李小龍

摘 要：針對高溫合金薄壁機匣焊接加工效率低、成本高的問題，以2條環(huán)形焊縫的GH3536材料為研究對象，提出一種基于數(shù)值模擬分析的合金焊接工藝優(yōu)化方案。通過數(shù)值模擬可知，電子束焊接變形量為2.5 mm，自動氬弧焊接的變形量為1.7 mm，故采用自動氬弧焊接作為高溫合金薄壁機匣焊接加工工藝方案，并將其應用于實際高溫合金薄壁機匣焊接加工中。結(jié)果表明，優(yōu)化后的自動氬弧焊接加工工藝的檢測時間、總加工時間和空程時間更短，分別縮短了28、230、255 min。焊接一次合格率由69%提高到93%，可實現(xiàn)高效、低成本的高溫合金薄壁機匣焊接加工。

關鍵詞：高溫合金；薄壁機匣；焊接加工；工藝優(yōu)化

中圖分類號：TG406

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）04-0140-05

Optimization test of alloy welding process based on numerical simulation analysis

LI Xiaolong

（Fuyang School of Industrial Economics，Anhui，F(xiàn)uyang 236000）

Abstract：Aiming at the problems of low efficiency and high cost of welding processing of thin-walled superalloy casing，taking GH3536 material with two circumferential welds as the research object，two optimization schemes of casing welding processing technology of electron beam welding and automatic argon arc welding are proposed.The numerical simulation results show that the deformation of electron beam welding is 2.5 mm and that of automatic argon arc welding is 1.7 mm.Therefore，automatic argon arc welding is adopted as the welding process scheme of Superalloy thin-walled gearbox，and it is applied to the actual welding process of Superalloy thin-walled gearbox.The results show that compared with the traditional welding process of Superalloy thin-walled casing，the optimized automatic argon arc welding process has shorter detection time，total processing time and empty travel time，which are shortened by 28 min，230 min and 255 min respectively，10 min，221 min and 51 min respectively.The first pass rate of welding is increased from 69% to 93%.The processing cost of each superalloy thin-walled casing is about 1050 yuan，which can achieve high efficiency and Low cost welding processing of high temperature alloy thin wall gearbox.

Key words：superalloy;thin wall casing;welding processing;process optimization

高溫合金薄壁機匣是航空發(fā)動機的重要零件，也是影響航空發(fā)動機性能的關鍵因素。近年來，隨著國防科學技術的發(fā)展，航空發(fā)動機進入批量生產(chǎn)時代，高溫合金薄壁機匣的焊接加工壓力隨之增大，傳統(tǒng)加工工藝容易導致機匣出現(xiàn)裂紋等問題，導致高溫合金薄壁機匣生產(chǎn)量已不能滿足航空發(fā)動機制造的需求。因此，亟需一種高效、高穩(wěn)定性、低成本的高溫合金薄壁機匣焊接加工工藝。結(jié)合試驗與數(shù)值模擬，通過分析電子束焊和TIG焊焊接機匣過程中的應力分布和應力變化，采用低溫加熱工藝對焊縫進行二次加工，實現(xiàn)了機匣焊接的工藝優(yōu)化。結(jié)果表明，該優(yōu)化方法可有效降低焊后的殘余應力［1］。采用激光/高能電子束焊接，大幅改善了機匣的疲勞系能，增強了結(jié)構的強度，實現(xiàn)了機匣與航空發(fā)動機結(jié)構的整體優(yōu)化［2］。提出航空發(fā)動機管路振動應力原位抑制概念，實現(xiàn)了機匣的自動焊接，提高了焊接的穩(wěn)定性［3］。為此，本研究提出電子束焊接和自動氬弧焊接2種機匣焊接加工工藝優(yōu)化方案，并分析比較了這2種焊接加工工藝，選擇出最佳高溫合金薄壁機匣焊接加工工藝。

1 高溫合金薄壁機匣模型構建

選擇2條環(huán)形焊縫的GH3536材料焊接高溫合金薄壁機匣，基本結(jié)構如圖1所示。由8處翻邊結(jié)構的薄壁筒體和前后安裝邊組成，其直徑為820 mm，厚為0.8 mm，高為200 mm。

2 高溫合金薄壁焊接加工工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)高溫合金薄壁焊接加工通常采用半自動TIG焊，利用非熔化極惰性氣體作為保護焊，通過焊接、去應力、組合機械加工，實現(xiàn)焊接［4］。該焊接方法由于依賴操作工人技能水平，存在較大焊接變形的問題，且材料利用率和加工效率較低［5-6］。為解決該問題，設計了電子束焊接和自動氬弧焊接兩種優(yōu)化焊接方法，并搭建A～C3種焊接結(jié)構幾何模型。其中自動氬弧焊接為組合焊接結(jié)構，零件狀態(tài)如表1所示。

根據(jù)構建的幾何模型，采用網(wǎng)格劃分技術進行有限元網(wǎng)格劃分［7］，得到電子束焊接有限元單元51 300個，節(jié)點99 000個；自動氬弧焊接A結(jié)構有限元單元45 900個，節(jié)點90 000個；B結(jié)構有限元單元46 800個，節(jié)點84 600個；C結(jié)構有限元單元45 900個，節(jié)點90 000個［8-9］。

3 焊接試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗環(huán)境及試驗設備

本次試驗在相對空氣濕度小于65%，室溫25 ℃條件下進行，電子束焊接設備為K110真空電子束焊機，自動氬弧焊接設備為CLOOS ROTBOL II機械手［10-11］。

3.2 材料參數(shù)及工藝參數(shù)

本試驗材料為厚度分別為2、0.8 mm的2條環(huán)形GH3536板材，尺寸為300×150 mm，對接結(jié)構位置材料厚度為0.8 mm。

工藝參數(shù)由多次試驗參數(shù)調(diào)整后獲取。電子束焊接和自動氬弧焊接工藝參數(shù)分別如表2、表3所示［12-13］。由于電子束接頭形式有3種，如圖2所示，本文根據(jù)試驗結(jié)果對其接頭形式進行確定。根據(jù)試驗結(jié)果可知，第1種和第3種接頭形式可獲得良好的焊接接頭質(zhì)量。因此，本次試驗選用第1種和第3種接頭形式進行模擬試驗。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 數(shù)值模擬試驗

通過數(shù)值模擬，得到模擬結(jié)果如表4所示。? 由表4可知，相較于有拘束的自動氬弧焊接，無拘束的電子束焊接變形更大，波浪變形明顯，不利于后續(xù)裝配。

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，電子束焊接需增加約束條件，自動氬弧焊接中無余量焊接形變較大，需采取組合加工方式進行彌補。

3.3.2 驗證試驗

（1）電子束焊接試驗。電子束焊接試驗首先需要確定焊接收縮余量。由于焊接是一個融化再結(jié)晶的過程，會導致零件結(jié)構尺寸發(fā)生變化［14-15］。因此可采用焊接前后尺寸衡量其收縮余量;表5為3組試樣焊接前后尺寸對比結(jié)果。由表5可知，電子束焊接收縮余量為0.2 mm。

根據(jù)GH 3536零件機構特點可知，焊接夾具對焊接變形具有一定影響。圖3為本次試驗電子束焊接夾具結(jié)構圖，采用過定位控制安裝邊直徑減小和外徑變形，以減小零件工作狀態(tài)下的應力點載荷，提高其抗疲勞性能。

采用圖3夾具固定試樣，在大端安裝邊單面留2 mm余量，用電子束進行焊接，結(jié)果如表6所示。

由表6可知，焊接后零件存在對接間隙和錯位問題，不能通過X光合格檢驗。

（2）自動氬弧焊接試驗。

采用CLOOSE機械手對0.8 mm厚度的GH353.6材料B結(jié)構進行焊接，收縮余量結(jié)果如表7所示。

圖4為自動氬弧焊接兩側(cè)安裝邊尺寸。采用限制自動氬弧進行焊接，后端面跳動分別為1.2 ～0.8 mm，軸向尺寸收縮為0.2～0.5 mm，焊接一次合格，說明自動氬弧焊接工藝具有一定的有效性。

3.3.3 對比實驗

為比較分析電子束焊接和自動氬弧焊接兩種優(yōu)化方案效果，實驗對比了這兩種優(yōu)化方案模擬變形與實際工程變形，結(jié)果如表8所示。由表8可知，電子束焊接對接間隙較大，容易變形，無法實現(xiàn)一次焊接合格，需要補焊，且補焊后的零件安裝邊平面度為2.2 mm，大于數(shù)值模擬分析狀態(tài)。分析其原因是，電子束焊縫寬度較大，容易產(chǎn)生焊接缺陷，利用手工氬弧進行補焊增大了零件變形。自動氬弧焊接可滿足焊接要求，具有效率較高的特點。

綜上可知，自動氬弧焊接是高溫合金薄壁機匣焊接加工的最佳焊接方法，利用該焊接方法進行焊接，可減小加工余量和對后續(xù)加工的壓力，提高材料的利用率和加工效率。因此本文將自動氬弧焊接方法作為最佳優(yōu)化方案，并研究分析了其實際應用效果。

3.3.4 實際應用效果

（1）焊接試驗。為驗證所提自動氬弧焊接方案的可操作性，實驗結(jié)合某企業(yè)生產(chǎn)車間實際條件，分別采用厚度為0.8～2 mm的焊接零件對實際產(chǎn)品進行焊接實驗。焊接零件結(jié)構狀態(tài)如表9所示，焊接余量的安全系數(shù)為1.3。焊接過程如圖5所示。由圖5可知，自動氬弧焊接可用于實際零件加工，具有可操作性和合理性;

（2）組合機械加工應用。為驗證所提優(yōu)化方案有效性，實驗對比優(yōu)化前后的加工時間，結(jié)果如表10所示。

由表10可知，優(yōu)化前檢測時間為38 min，總加工時間為451 min，空程切削時間為206 min；優(yōu)化后的檢測時間為10 min，總加工時間為221 min，空程切削時間為51 min，分別縮短了28、230、255 min；切削時間占總時間比例由54.3%提升至76.9%，說明所提優(yōu)化方案具有一定有效性，可較大幅度提升檢測效率并縮短加工時間和空程時間。

表11為采用優(yōu)化方案進行優(yōu)化后的零件主要加工尺寸統(tǒng)計結(jié)果。

由表11可知，優(yōu)化后加工的零件特征點尺寸在中差附近波動，公差均小于0.06 mm，滿足設計尺寸要求。

（3）應用效果。

為驗證所提的高溫合金薄壁機匣焊接加工工藝優(yōu)化方案的應用效果，采用所提優(yōu)化方案對某企業(yè)2021年流道組件的焊接和機械加工工藝進行優(yōu)化，并統(tǒng)計其合格率，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，未用所提方案進行優(yōu)化的下流道焊接工藝的一次合格率為69%，采用所提方案優(yōu)化后的一次合格率為93%。

為綜合分析優(yōu)化前后應用效果，實驗對比了優(yōu)化前后的加工時間、空程時間和刀具費用等，結(jié)果如表12所示。

由表12可知，相較于優(yōu)化前，采用所提優(yōu)化方案優(yōu)化后的加工時間、空程時間大幅降低，分別縮短了230 、255 min，刀具費用降低了74.3 元；切削時間占加工總時間比例減少了70%，檢測效率提高了50%，總加工效率提高了30%。

整體來看，采用所提優(yōu)化方案后，可有效提高流道一次交付合格率。由車間統(tǒng)計結(jié)果可知，每件流道約節(jié)約1 050元綜合成本，若每年生產(chǎn)200臺，則每年可節(jié)約21萬元，具有較高的應用價值。

4 結(jié)語

綜上所述，所提的高溫合金薄壁機匣焊接加工工藝優(yōu)化方案，分別采用電子束焊接和自動氬弧焊接進行焊接，可使焊接軸向變形控制在2.5、1.7 mm，相較于電子束焊接，自動氬弧焊接的變形量更小。以自動氬弧焊接為高溫合金薄壁焊接加工工藝優(yōu)化方案進行焊接，相較于優(yōu)化前，檢測時間、總加工時間和空程時間分別縮短了28、230、255 min，焊接一次合格率由69%提高到93%，約節(jié)約每件高溫合金薄壁加工成本1 050元，具有較高的加工效率和更低的成本，可實現(xiàn)高效、低成本的高溫合金薄壁機匣焊接加工。

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