CN105290632A - 精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法，步骤为：根据薄壁机匣零件的缺陷长度、位置，结合数值模拟技术分析零件失效方式和应力状态；在焊接前对机匣前后安装边和其它相关尺寸进行精确测量；使用X射线检查和着色检查确定缺陷位置及尺寸；焊接前工艺准备；根据待修理部位采用专用焊接保护工装；结合零件失效方式和应力状态，针对缺陷位置及尺寸，确定单脉冲或连续脉冲方式、焊接工艺参数以及焊接顺序工艺因素，以降低焊后零件应力水平；按前述步骤确定的焊接修理工艺进行焊接。本发明方法焊缝性能达到母材性能的90％以上，满足标准要求；焊后机匣内外安装边径向跳动小于0.08mm，端面跳动小于0.10mm，满足装配要求。

Description

精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法

技术领域

本发明涉及一种航空发动机制造技术领域，具体的说是一种精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法。

背景技术

高温合金钣金焊接机匣使用一个寿命周期后，由于高温燃气的原因，使其长期处于热应力、震动和高温环境，同时在制造过程中的也受到应力释放等因素影响，最终导致其在铸造支板处经常出现裂纹等缺陷，目前机匣零件的故障率在70％左右。

修理前机匣零件已处于最终尺寸精度状态，由于常规TIG焊接修理工艺的热输入较大、能量不易稳定控制等原因，焊接后薄壁机匣零件会产生较大变形，不能满足内、外安装边尺寸精度后续精密装配要求。

现有常规修复工艺为TIG焊接，缺点是焊接电弧不集中，热影响区较大，造成焊后零件变形较大，由于零件装配精度要求较高，经试验发现修复零件几乎全部均超出装配要求，不能满足零件修复要求，材料费用和加工费用损失巨大，重新制造零件周期较长。

发明内容

现有技术中薄壁机匣零件装配精度要求较高，由于焊接电弧不集中，造成焊后零件变形较大，不能满足零件修复要求等不足，本发明要解决的技术问题是提供一种效果显著、能够满足零件焊接修理后的性能和尺寸精度要求的精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明涉及一种精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法，包括以下步骤：

根据薄壁机匣零件的缺陷长度、位置，结合数值模拟技术分析零件失效方式和应力状态；

在焊接前对机匣前后安装边和其它相关尺寸进行精确测量；

使用X射线检查和着色检查确定缺陷位置及尺寸；

焊接前工艺准备，包括清洗、机械加工、着色检查确定缺陷清除效果；

根据待修理部位采用专用焊接保护工装；

结合零件失效方式和应力状态，针对缺陷位置及尺寸，确定单脉冲或连续脉冲方式、焊接工艺参数以及焊接顺序工艺因素，以降低焊后零件应力水平；

按前述步骤确定的焊接修理工艺进行焊接。

通过模拟计算分析确定薄壁机匣内部应力分布状态，包括以下步骤：

采用实体几何建模和计算机辅助设计软件划分网格以生成节点和焊缝单元；

采用体加载形式，通过假定焊缝单元的内部热生成施加到焊缝上，将有效的焊接热输入量换算成焊缝单元在单位体积、单位时间上的热生成强度；

根据上述热生成强度通过模拟测算出焊后零件变形趋势及数值，得到应力分布状态；

根据应力分布状态确定焊接顺序和参数工艺因素；

在最大应力处使用焊接工装限制，防止焊后变形超差。

所述应力分布状态为：焊接残余应力最大值分布在焊缝根部和最后凝固的焊缝中，最大的拉应力出现在最后凝固的焊缝近表面处，焊接位移最大位置位于机匣边缘的外圆周位置。

焊接残余应力最大值分布在焊缝根部达1400MPa，最大的位移在焊接叶片根部外圆周上达到0.4mm。

焊接后还包括以下步骤：

检查焊接质量，确定焊接修理质量，如不合格，需重新进行清理和补焊；

尺寸精度检查，对焊前安装边径跳和端跳分别大于0.08mm和0.10mm的零件进行电弧加热校形处理；

焊后热处理，对尺寸精度检查和焊缝质量检查合格的零件最后需经过时效热处理，以进一步消除应力并恢复材料性能。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用一种全新的精密脉冲焊接方法，通过精确控制单脉冲焊接的脉宽、脉冲频率、峰值电流和设计专用的焊接保护装置及焊接工装等实现了高温合金薄壁机匣的焊接修理；经试验，焊缝性能达到母材性能的90％以上，满足标准要求；焊后机匣内外安装边径向跳动小于0.08mm，端面跳动小于0.10mm，满足装配要求。

2.本发明方法采用数值模拟技术分析经一个周期使用的零件的应力状态，用模拟结论指导焊接修理工艺，改变以前盲目焊接的状态，有效控制零件应力分布，降低焊接变形，降低了零件焊接应力水平；

3.本发明方法采用精密脉冲焊接工艺极大降低了焊接热输入，控制层间温度，有效防止零件局部过热引起的焊缝应力集中和变形；

4.本发明方法采用专用设计的焊缝保护装置和焊接工装可以有效防止焊缝氧化污染，并控制焊接变形。

5.本发明方法通过应力分析和变形趋势预测，也可应用于其它尺寸精度要求较高的零件焊接修理。

附图说明

图1为高温合金薄壁机匣示意简图；

图2为待修理部位裂纹图示。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

本发明精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法主要有：1)进行焊接变形趋势预测和使用后零件内部应力状态分析；2)减小热输入并进行焊接工艺路线优化设计；3)设计专用焊接工装控制零件变形和焊接污染氧化。具体包括以下步骤：

根据薄壁机匣零件的缺陷长度、位置，结合数值模拟技术分析零件失效方式和应力状态；

在焊接前对机匣前后安装边和其它相关尺寸进行精确测量；

使用X射线检查和着色检查确定缺陷位置及尺寸；

焊接前工艺准备，包括清洗、机械加工、着色检查确定缺陷清除效果；

根据待修理部位采用专用焊接保护工装；

结合零件失效方式和应力状态，针对缺陷位置及尺寸，确定单脉冲或连续脉冲方式、焊接工艺参数以及焊接顺序参数，以降低焊后零件应力水平；

按前述步骤确定的焊接修理工艺参数进行焊接。

其中，通过模拟计算分析确定薄壁机匣内部应力分布状态包括以下步骤：

采用实体几何建模和计算机辅助设计软件划分网格以生成节点和焊缝单元；

采用体加载形式，通过模拟焊缝单元的内部热生成施加到焊缝上，将有效的焊接热输入量换算成焊缝单元在单位体积、单位时间上的热生成强度；

根据上述热生成强度测算出焊后零件变形趋势及数值，得到应力分布状态；

根据应力分布状态确定焊接顺序和参数等工艺因素；

在最大应力(变形)处使用焊接工装限制，防止焊后变形超差。工装的作用主要有：控制焊接变形、冷却焊缝、保护焊缝防止氧化和污染。

本发明中，根据裂纹等缺陷长度、位置等情况，结合数值模拟技术分析并确定零件服役期的失效方式和应力状态具体方法如下：

在ABAQUS软件上采用实体几何建模和专门的计算机辅助设计软件划分网格以生成节点和焊缝单元，焊缝及其附近的部分用加密的网格，这样既考虑到了在焊缝处温度变化较大等因素，又能够在保持精度的同时减少网格的数量。

模型的加载有热载荷与力载荷，本实施例采用体加载形式，通过模拟焊缝单元的内部热生成施加到焊缝上，将有效的焊接热输入量换算成焊缝单元在单位体积、单位时间上的热生成强度。模拟结果表明，焊接残余应力最大值分布在焊缝根部和最后凝固的焊缝中。最大的拉应力出现在最后凝固的焊缝近表面处，其应力峰值达1400MPa，焊接位移最大位置位于机匣边缘的外圆周位置。在第一条焊缝第一道加载时是0.1795mm，在第一条焊缝加载结束时是0.3277mm，第二条焊缝加载结束时是0.4494mm，第三条焊缝加载结束时是0.444mm，第四条焊缝加载结束时是0.4144mm。结合焊接工艺实验数据，应用有限元方法，对机匣焊接过程进行模拟研究，根据相应的焊接方法和工艺参数，模拟焊接各个道次的温度和应力分布，分析计算结果。焊接残余应力最大值分布在焊缝根部达1400MPa，最大的位移在焊接处根部外圆周上达到0.4mm。

通过以上有限元分析结合实际焊接接头应力和位移表明，焊缝焊接接头残余应力处于安全水平，整体结构变形量设计达到实际所需的安全水平。模拟对比结果见表1。

表1参量实测与模拟结果的对比

如图1所示，一种薄壁高温合金机匣结构简图，该机匣外径为980mm，内径为450mm，其通过44条电子束焊和TIG焊缝连接而成，由于焊缝数量多，应力过大，在涡轮部分600℃温度下经数百小时使用后，第一～四号支板铸件1～4上容易出现裂纹，单条裂纹长度一般在80～120mm，如图2所示的裂纹5。由于零件前后安装边的尺寸精度较高，分解后的尺寸精度已经接近极限，如果焊接修理后的变形超过一定值将影响转子件的同心度。前期经TIG焊接修理后零件前后安装边的径跳和端跳至均超过0.50mm，不能满足装配要求，同时TIG焊热输入较大，焊后零件存在修理处应力集中等问题，降低零件使用寿命；同时也会导致变形量超差，使修理后的零件报废。

工艺上控制变形的方法主要有：1)进行焊接变形趋势预测和使用后零件内部应力状态分析；2)减小热输入并进行焊接工艺路线优化设计。

对图1中的薄壁高温合金机匣4处裂纹的具体修理步骤如下：

(1)分析确定薄壁机匣内部应力分布状态

根据裂纹等缺陷长度、位置等情况，结合数值模拟技术分析并确定零件服役期的失效方式和应力状态。

在GH4169合金铸锻件的长周期机械加工过程中，难免会出现各种各样的失误而产生尺寸超差、铣切沟槽等误加工缺陷，导致半成品件或近终加工件报废；在零件服役过程中，恶劣服役环境也会导致零件出现如疲劳裂纹、蚀坑、磨损等损伤类失效情况，失效的裂纹等缺陷经常出现在支板与导流管转接的高应力区，模拟结论也证明了这个问题。修复部位受到整个工件的约束，修复应力局部集中：在此拘束状态下进行修复时，则比自由状态下更大的范围内更易出现较高的拉应力；且在修复部位产生局部应力集中，易产生是更为危险的内应力；另外损伤一般为贯通裂纹形式，通常待修理处规则化加工成为沟槽状形式。

(2)前后安装边尺寸精度测量

将机匣零件安装在精密检测工装和转台上，检查内外安装边对基准的径向跳动及断面跳动，记录实测值。

(3)确定裂纹位置和尺寸

对使用一个周期的机匣零件进行整体X射线检查和着色检查，并标定裂纹等缺陷的准确位置。

(4)机械方法去除裂纹

通过机械方式去除缺陷，应尽量较少基体金属去除量，防止基体受损过多。

(5)检查裂纹去除效果

再次进行X射线检查和着色检查，以检验缺陷去除效果，如未能彻底清除应重新打磨去除缺陷。

(6)焊前清理

打磨缺陷后的位置用丙酮或酒精去除油污等多余物，并安装焊接和焊缝保护用工装，确保焊接过程中焊缝金属不被氧化污染。

(7)焊接

按模拟结论指导焊接，采用合适的焊接顺序和工艺参数，采用多层焊，控制焊缝层间温度，同时采用焊接工装。经优化的焊接参数见表1。焊接前首先用脉冲焊焊接打磨后的中间部位，起到刚性固定作用，防止缺口处张开造成变形。随后用优化的脉冲焊接参数逐层堆焊，选用较低能量输入的单脉冲焊接方式，焊接过程应注意背面保护效果，并控制焊缝层间温度，防止过热，同时应交替焊接四个支板裂纹位置，防止过热。

表1优化后的精密脉冲焊参数

(8)检查焊接质量

焊后进行X射线检查和着色检查，以确定焊接修理质量，如不合格，需重新进行清理和补焊。

(9)尺寸精度检查

焊接质量检查合格的零件重新检查安装边跳动值并记录，对焊前安装边径跳和端跳分别大于0.08mm和0.10mm的零件进行电弧加热校形处理。

(10)焊后热处理

尺寸精度检查和焊缝质量检查合格的零件最后需经过时效热处理，进一步消除应力。

Claims (5)

1.一种精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法，其特征在于包括以下步骤：

根据薄壁机匣零件的缺陷长度、位置，结合数值模拟技术分析零件失效方式和应力状态；

在焊接前对机匣前后安装边和其它相关尺寸进行精确测量；

使用X射线检查和着色检查确定缺陷位置及尺寸；

焊接前工艺准备，包括清洗、机械加工、着色检查确定缺陷清除效果；

根据待修理部位采用专用焊接保护工装；

结合零件失效方式和应力状态，针对缺陷位置及尺寸，确定单脉冲或连续脉冲方式、焊接工艺参数以及焊接顺序工艺因素，以降低焊后零件应力水平；

按前述步骤确定的焊接修理工艺进行焊接。

2.按权利用求1所述的精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法，其特征在于通过模拟计算分析确定薄壁机匣内部应力分布状态，包括以下步骤：

采用实体几何建模和计算机辅助设计软件划分网格以生成节点和焊缝单元；

采用体加载形式，通过假定焊缝单元的内部热生成施加到焊缝上，将有效的焊接热输入量换算成焊缝单元在单位体积、单位时间上的热生成强度；

根据上述热生成强度通过模拟测算出焊后零件变形趋势及数值，得到应力分布状态；

根据应力分布状态确定焊接顺序和参数工艺因素；

在最大应力处使用焊接工装限制，防止焊后变形超差。

3.按权利用求2所述的精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法，其特征在于：所述应力分布状态为：焊接残余应力最大值分布在焊缝根部和最后凝固的焊缝中，最大的拉应力出现在最后凝固的焊缝近表面处，焊接位移最大位置位于机匣边缘的外圆周位置。

4.按权利用求3所述的精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法，其特征在于：焊接残余应力最大值分布在焊缝根部达1400MPa，最大的位移在焊接叶片根部外圆周上达到0.4mm。

5.按权利用求1所述的精密脉冲焊接修复高温合金薄壁机匣零件的方法，其特征在于焊接后还包括以下步骤：

检查焊接质量，确定焊接修理质量，如不合格，需重新进行清理和补焊；

尺寸精度检查，对焊前安装边径跳和端跳分别大于0.08mm和0.10mm的零件进行电弧加热校形处理；

焊后热处理，对尺寸精度检查和焊缝质量检查合格的零件最后需经过时效热处理，以进一步消除应力并恢复材料性能。