CN112795766B - 一种高温合金焊接件退火校形方法 - Google Patents

一种高温合金焊接件退火校形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温合金焊接件退火校形方法，属于高温合金热处理技术领域，解决了现有技术中高温合金焊接件退火后易变形的问题。高温合金焊接件退火校形方法包括：将高温合金焊接件表面清洁处理后放置在真空退火炉的料盘上；采用框架型退火校形工装将高温合金焊接件上端和下端外型面约束，并用穿过框架的螺栓对高温合金焊接件表面型面进行固定并施加预紧力；将料盘推进真空退火炉中，关闭炉门，按照退火热处理制度对高温合金焊接件进行退火，退火后出炉；检测零件型面尺寸。本发明的方法可以将大尺寸异形的高温合金焊接件热处理过程变形量控制在2mm以内。

Description

一种高温合金焊接件退火校形方法
技术领域
本发明属于高温合金热处理技术领域，具体地涉及一种高温合金焊接件退火校形方法。
背景技术
随着航天产品的发展，高温合金在异形曲面类零件的应用日趋广泛，航天产品对零件型面尺寸精度要求越来越高。高温合金零件焊接后由于焊缝处应力较大，需采用退火工艺进行去应力处理。由于零件为半精加工状态，型面加工余量小，而高温退火过程易导致零件型面产生较大的变形量，不满足后续加工要求。由于高温合金材料强度高，延伸率也大，材料回弹量较大，因此高温合金焊接件退火后变形部位在室温状态下进行冷校形过程会产生较大的回弹难以将零件尺寸校正。现有的一些工艺为了防止高温合金焊接件退火时变形，在高温合金焊接件退火之前采用整体随形工装固定高温合金焊接件，整体随形工装一方面制备时浪费材料；另一方面在零件退火时浪费能源，且整体随行工装会导致零件受热不均，影响零件退火后的性能。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高温合金焊接件退火校形方法，能够解决以下技术问题之一：(1)现有的高温合金焊接件退火后易变形；(2)高温合金焊接件退火后的变形采用冷校形难以将零件尺寸校正；(3)整体随形工装制备时浪费材料；(4)整体随形工装在零件退火时浪费能源，且整体随行工装会导致零件受热不均。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种高温合金焊接件退火校形方法，包括：
步骤一：将高温合金焊接件表面清洁处理后放置在真空退火炉的料盘上；
步骤二：采用框架型退火校形工装将高温合金焊接件上端和下端外型面约束，并用穿过框架的螺栓对高温合金焊接件表面型面进行固定并施加预紧力；
步骤三：将料盘推进真空退火炉中，关闭炉门，按照退火热处理制度对高温合金焊接件进行退火，退火后出炉；
步骤四：检测零件型面尺寸。
进一步的，所述框架型退火校形工装包括第一支撑框和第二支撑框；所述第一支撑框和所述第二支撑框的内壁形状与所述高温合金焊接件的外侧面随形；使用时，所述高温合金焊接件放置于所述第一支撑框和第二支撑框内部；所述第一支撑框和第二支撑框上均设有多个销孔，所述第一支撑框和第二支撑框通过多个支撑销轴连接；所述第一支撑框和第二支撑框的侧壁上均设置多个螺栓孔，使用时，高温合金焊接件放置于第一支撑框和第二支撑框内部，螺栓穿过螺栓孔将高温合金焊接件固定在框架型腔内；所述螺栓与高温合金焊接件接触的一端设置光面随形块。
进一步的，所述步骤二中，采用框架型退火校形工装将高温合金焊接件型面约束的步骤包括：先将第一支撑框套设在焊接件的底部外侧，接着安装支撑销轴，最后将第二支撑框套在支撑销轴上，并从下到上依次紧固螺栓。
进一步的，所述步骤二中，螺栓的预紧力的计算方法如下：
S1.确定高温合金焊接件的膨胀量ΔL；
S2.确定螺栓的校形预紧量LY；
S3.确定预紧力P。
进一步的，所述ΔL＝α·R·T，其中，α为线膨胀系数，R为半径，T为最大温差。
进一步的，所述LY＝ΔL-LB，其中，LB为技术要求允许变形量。
进一步的，所述
Figure BDA0002827162380000031
其中，c8为0.08，b为宽度，E为147GPa，h为厚度。
进一步的，所述高温合金焊接件是横截面为月牙形的锥体。
进一步的，所述框架型退火校形工装的第一支撑框和第二支撑框均为月牙形。
进一步的，所述框架型退火校形工装的壁厚为22～30mm。
与现有技术相比，本发明至少能实现以下有益效果之一：
(1)本发明的高温合金焊接件退火校形方法中，在将高温合金焊接件退火之前采用框架型退火校形工装将高温合金焊接件的型面进行约束，防止退火过程中高温合金焊接件的变形。
(2)本发明的框架型退火校形工装的螺栓与高温合金焊接件接触的一端设置光面随形块，能够防止螺栓压坏高温合金焊接件的型面，在退火过程中能更好的防止高温合金焊接件变形。
(3)本发明的高温合金焊接件退火校形方法中，预先在螺栓的螺纹部位均匀涂抹二硫化钼高温润滑剂，防止螺栓在高温退火过程中变形过大。
(4)本发明的框架型退火校形工装通过设置支撑销轴将第一支撑框和第二支撑框连接，相比于整体随形工装质量减轻，在退火时减少能源，且避免了整体随行工装会导致零件受热不均的问题。
(5)采用本发明的高温合金焊接件退火校形方法可以将大尺寸异形的高温合金焊接件热处理过程变形量控制在2mm以内。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书及说明书附图中所特别指出的内容来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明的框架型退火校形工装的整体结构示意图；
图2为本发明的框架型退火校形工装与高温合金焊接件的装配示意图。
附图标记：
1-第一支撑框，2-第二支撑框，3-支撑销轴，4-螺栓，5-光面随形块，6-高温合金焊接件，7-上锥面，8-下锥面。
具体实施方式
下面具体描述本发明的优选实施例。
为了便于描述，这里诸如“在...之下”、“在...下方”、“下面”、“在...之上”、“上方”等的空间相对术语可用来描述附图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。应理解，除了附图中描绘的取向之外，空间相对术语旨在包含装置在使用或操作中的不同取向。例如，当附图中的装置翻转时，描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件将取向为在其他元件或特征“之上”。因此，示例性术语“在...下方”可包括之上和之下两种取向。
随着航天产品的发展，高温合金在异形曲面类零件的应用日趋广泛，航天产品对零件型面尺寸精度要求越来越高。高温合金零件焊接后由于焊缝处应力较大，需采用退火工艺进行去应力处理。由于零件为半精加工状态，型面加工余量小，而高温退火过程易导致零件型面产生较大的变形量，不满足后续加工要求。由于高温合金材料强度高，延伸率也大，材料回弹量较大，因此高温合金焊接件退火后变形部位在室温状态下进行冷校形过程会产生较大的回弹难以将零件尺寸校正。现有的一些工艺为了防止高温合金焊接件退火时变形，在高温合金焊接件退火之前采用整体随形工装固定高温合金焊接件，整体随形工装一方面制备时浪费材料；另一方面在零件退火时浪费能源，且整体随行工装会导致零件受热不均，影响零件退火后的性能。
本发明提供了一种高温合金焊接件退火校形工装，如图1所示，高温合金焊接件退火校形工装包括第一支撑框1和第二支撑框2；第一支撑框1和第二支撑框2的内壁形状与高温合金焊接件的外侧面随形；第一支撑框1和第二支撑框2上均设有多个销孔，第一支撑框1和第二支撑框2通过多个支撑销轴3连接；第一支撑框1和第二支撑框2的侧壁上均设置多个螺栓孔，使用时，高温合金焊接件放置于第一支撑框1和第二支撑框2内部，六角头压紧螺栓4穿过螺栓孔将高温合金焊接件固定在第一支撑框1和第二支撑框2形成的型腔内。
需要说明的是，为了防止六角头压紧螺栓4压坏高温合金焊接件的型面，六角头压紧螺栓4与高温合金焊接件接触的一端设置光面随形块5；光面随形块5在退火过程中能更好的防止高温合金焊接件变形。
具体的，六角头压紧螺栓4为M16六角头压紧螺栓。
具体的，高温合金焊接件是横截面为月牙形的锥体，其中，月牙形的上锥面7的长圆弧的半径是295～305mm，月牙形的上锥面7的长圆弧的弧长是926～958mm，月牙形的上锥面7的短圆弧的弧长是680～730mm。月牙形的下锥面8的长圆弧的半径395～405mm，月牙形的下锥面8的长圆弧的弧长是1240～1272mm，月牙形的下锥面8的短圆弧的弧长是900～1050mm。高温合金焊接件的高为350～400mm，高温合金焊接件的型面壁厚4～6mm，例如5mm，加工余量2mm。
具体的，高温合金焊接件的材料为GH4099。
考虑到退火校形工装需要与高温合金焊接件匹配，因此，第一支撑框1和第二支撑框2均为月牙形。月牙形的第一支撑框1和第二支撑框2组成的型腔用于放置高温合金焊接件，因此型腔的尺寸大于高温合金焊接件的尺寸，例如型腔与高温合金焊接件的单侧间隙25～30mm。
考虑到高温合金焊接件退火时的温度较高，为了防止退火校形工装变形，退火校形工装的材料为耐高温材料，例如1Cr18Ni9Ti。
需要说明的是，第一支撑框1和第二支撑框2上的螺栓孔的数量过多会导致退火校形工装的结构不稳定，刚性差，并且不利于工装加工；螺栓孔的数量过少会导致约束力不够，导致高温合金焊接件退火时变形量较大。因此，经过综合考虑，退火校形过程中螺栓对高温合金焊接件的预紧力P符合如下公式：
具体的，以下述高温合金焊接件为例，高温合金焊接件是横截面为月牙形的锥体，其中，上锥面的圆弧半径300mm，下锥面的圆弧半径400mm、高350mm，型面壁厚5mm，加工余量2mm。螺栓对高温合金焊接件的预紧力P的大小通过下述方法确定：
(1)确定高温合金焊接件的膨胀量ΔL：
ΔL＝α·R·T，其中，ΔL为膨胀量，α为线膨胀系数，R为半径，T为最大温差。
例如，下锥面半径400mm，则半径方向的总膨胀量ΔL为：
ΔL＝α·R·T＝18.6×10-6×400×600＝4.46mm，
上锥面方向的总膨胀量为：
ΔL＝α·R·T＝18.6×10-6×300×600＝3.35mm
(2)确定螺栓的校形预紧量LY：
LY＝ΔL-LB
其中，ΔL为膨胀量，LB为技术要求允许变形量。
例如，待校形的零件型面加工余量2mm，则允许均匀变形2mm，下锥面需螺栓预紧LY＝4.46-2＝2.46mm，上锥面需螺栓预紧LY＝3.35-2＝1.35mm。
(3)确定预紧力计算：
校形零件的校形预紧量与预紧力P(N)的关系：
Figure BDA0002827162380000071
LY为校形预紧量，查机械设计手册c8为0.08，P为预紧力，b(mm)为宽度，E(103N/mm2)为弹性模量(高温合金GH4099材料1040℃温度下为147GPa)，h(mm)为厚度。
例如，直径800mm、厚5mm区域变形量2mm，则计算P为883N；直径600mm、厚5mm区域变形量2mm，则计算P为861N。
为保证工装变形较小，工装壁厚控制为22～30mm，例如25mm；为保证加工的合理性以及支撑框的结构稳定性，M16的螺栓每一层按照间距约150mm布局；为保证工装整体的刚度，设计6根支撑销轴，直径35mm，高300mm。
具体的，第一支撑框1上按照间距150mm设计M16的螺栓孔，螺栓孔的数量为10个。第二支撑框2上按照间距150mm设计M16的螺栓孔，螺栓孔的数量为7个。
另一方面，本发明提供了一种高温合金焊接件退火校形方法，采用上述高温合金焊接件退火校形工装，高温合金焊接件退火校形方法包括：
步骤一：将高温合金焊接件用酒精擦拭干净后放置在真空退火炉的料盘上；
步骤二：采用退火校形工装将高温合金焊接件型面约束，并用六角头压紧螺栓4进行固定并施加预紧力；
步骤三：将料盘推进真空退火炉中，关闭炉门，按照退火热处理制度对高温合金焊接件进行退火，退火后出炉。
步骤四：检测零件型面尺寸。
具体的，步骤一中，为了防止清洗过程中引入其他杂质，采用干净的无毛棉布浸酒精将高温合金焊接件表面的污物擦拭干净。
具体的，步骤二中，在螺栓的螺纹部位均匀涂抹二硫化钼高温润滑剂，防止螺栓在高温退火过程中变形过大。
具体的，上述步骤二中，考虑到高温合金焊接件的上部分的尺寸较小，在高温退火过程中不易变形，因此，采用退火校形工装将高温合金焊接件型面约束时将退火校形工装约束高温合金焊接件的下半部分即可。
具体的，如图2所示，步骤二中，采用退火校形工装将高温合金焊接件型面约束的步骤包括：先将第一支撑框1套设在焊接件的底部外侧，接着安装支撑轴，最后将第二支撑框2套在支撑轴上，并从下到上依次紧固螺栓。
具体的，上述步骤三中，退火热处理制度：将零件在室温条件下入炉，然后抽真空，炉内真空度不大于0.6Pa；启动加热装置按照10～15℃/min的速率升温至500℃，保温1h；保温结束后，按照10～15℃/min的速率继续升温至1040℃，保温2h，充氩气(压力6bar)冷却至150℃。降温结束后将零件置于空气中冷却至室温，缓慢拆除固定工装。
实施例1
本实施例提供了一种高温合金焊接件退火校形方法，高温合金焊接件是横截面为月牙形的锥体，其中，月牙形的上锥面7的长圆弧的半径是300mm，月牙形的上锥面7的长圆弧的弧长是942mm，月牙形的上锥面7的短圆弧的弧长是720mm，月牙形的上锥面7的弦长为600mm；月牙形的下锥面8的长圆弧的半径400mm，月牙形的下锥面8的长圆弧的弧长是1256mm，月牙形的下锥面8的短圆弧的弧长是1030mm，月牙形的下锥面8的弦长为800mm；高350mm，型面壁厚5mm，加工余量2mm；其中高温合金焊接件的月牙形的上侧弧形的中间部位设有宽度为200mm的开口。具体的，高温合金焊接件的材料为GH4099。
高温合金焊接件退火校形方法包括：
步骤一：采用干净的无毛棉布浸酒精将高温合金焊接件擦拭干净后放置在真空退火炉的料盘上；
步骤二：采用退火校形工装将高温合金焊接件6的型面进行约束，并用六角头压紧螺栓4进行固定并施加预紧力；其中，在螺栓的螺纹部位均匀涂抹二硫化钼高温润滑剂；
步骤三：将料盘推进真空退火炉中，关闭炉门，按照退火热处理制度对高温合金焊接件进行退火，退火后出炉。
步骤四：检测零件型面尺寸。
其中，退火校形工装包括第一支撑框1和第二支撑框2；第一支撑框1和第二支撑框2的内壁形状与高温合金焊接件的外侧面随形，使用时，高温合金焊接件放置于第一支撑框1和第二支撑框2内部；第一支撑框1和第二支撑框2上均设有多个销孔，第一支撑框1和第二支撑框2通过多个支撑销轴3连接；第一支撑框1和第二支撑框2的侧壁上均设置多个螺栓孔，使用时，六角头压紧螺栓4通过螺栓孔固定高温合金焊接件；六角头压紧螺栓4与高温合金焊接件接触的一端设置光面随形块5。
具体的，第一支撑框1和第二支撑框2均为月牙形。月牙形的第一支撑框1和第二支撑框2组成的型腔用于放置高温合金焊接件，型腔的尺寸大于高温合金焊接件的尺寸，型腔与高温合金焊接件的单侧间隙25mm。
具体的，第一支撑框1上按照间距150mm设计M16的螺栓孔，螺栓孔的数量为10个。(高温合金焊接件开口处的部位附件不需要螺栓进行预紧)。
具体的，第二支撑框2上按照间距150mm设计M16的螺栓孔，螺栓孔的数量为7个。(高温合金焊接件开口处的部位附件不需要螺栓进行预紧)。
具体的，支撑销轴的直径为35mm，高为300mm，数量为6根。
具体的，退火校形工装的壁厚为25mm。
具体的，步骤二中，采用退火校形工装将高温合金焊接件型面约束的步骤包括：先将第一支撑框1套设在焊接件的底部外侧，接着安装支撑轴，最后将第二支撑框2套在支撑轴上，并从下到上依次紧固螺栓。
具体的，步骤二中，螺栓的预紧力的计算方法如下：
(1)确定高温合金焊接件的膨胀量ΔL：
ΔL＝α·R·T，其中，ΔL为膨胀量，α为线膨胀系数，R为半径，T为最大温差。
(2)确定螺栓的校形预紧量LY：
LY＝ΔL-LB
其中，ΔL为膨胀量，LB为技术要求允许变形量。
(3)确定预紧力计算：
校形零件的校形预紧量与预紧力P(N)的关系：
Figure BDA0002827162380000111
LY为校形预紧量，查机械设计手册c8为0.08，P为预紧力，b(mm)为宽度，E(103N/mm2)为弹性模量(高温合金GH4099材料1040℃温度下为147GPa)，h(mm)为厚度。
经计算，第二支撑框2上的螺栓的预紧力861N，第一支撑框1上的螺栓的预紧力883N。
具体的，上述步骤三中，退火热处理制度：将零件在室温条件下入炉，然后抽真空，炉内真空度不大于0.6Pa；启动加热装置按照13℃/min的速率升温至500℃，保温1h；保温结束后，按照15℃/min的速率继续升温至1040℃，保温2h，充氩气(压力6bar)冷却至150℃。降温结束后将零件置于空气中冷却至室温，缓慢拆除固定工装。
高温合金焊接件理论壁厚为5mm，校形后壁厚合格尺寸为5～7mm，允许正方向变形量2mm，在零件表面选取25个点测量壁厚尺寸，采用三维扫描仪检测高温合金焊接件去应力退火后的型面尺寸，测量结果如下表1所示，变形量均＜2mm。可见，采用本发明的高温合金焊接件退火校形方法可以将大尺寸异形的高温合金焊接件热处理过程变形量控制在2mm以内。
表1检测结果
Figure BDA0002827162380000112
Figure BDA0002827162380000121
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高温合金焊接件退火校形方法，其特征在于，包括：
步骤一：将高温合金焊接件表面清洁处理后放置在真空退火炉的料盘上；
步骤二：采用框架型退火校形工装将高温合金焊接件上端和下端外型面约束，并用穿过框架的螺栓对高温合金焊接件表面型面进行固定并施加预紧力；
步骤三：将料盘推进真空退火炉中，关闭炉门，按照退火热处理制度对高温合金焊接件进行退火，退火后出炉；
步骤四：检测零件型面尺寸；
所述框架型退火校形工装包括第一支撑框(1)和第二支撑框(2)；所述第一支撑框(1)和所述第二支撑框(2)的内壁形状与所述高温合金焊接件的外侧面随形；使用时，所述高温合金焊接件放置于所述第一支撑框(1)和第二支撑框(2)内部；所述第一支撑框(1)和第二支撑框(2)上均设有多个销孔，所述第一支撑框(1)和第二支撑框(2)通过多个支撑销轴(3)连接；所述第一支撑框(1)和第二支撑框(2)的侧壁上均设置多个螺栓孔，使用时，高温合金焊接件放置于第一支撑框(1)和第二支撑框(2)内部，螺栓(4)穿过螺栓孔将高温合金焊接件固定在框架型腔内；所述螺栓(4)与高温合金焊接件接触的一端设置光面随形块(5)。
2.根据权利要求1所述的高温合金焊接件退火校形方法，其特征在于，所述步骤二中，采用框架型退火校形工装将高温合金焊接件型面约束的步骤包括：先将第一支撑框(1)套设在焊接件的底部外侧，接着安装支撑销轴(3)，最后将第二支撑框(2)套在支撑销轴(3)上，并从下到上依次紧固螺栓。
3.根据权利要求1或2所述的高温合金焊接件退火校形方法，其特征在于，所述步骤二中，螺栓的预紧力的计算方法如下：
S1.确定高温合金焊接件的膨胀量ΔL；
S2.确定螺栓的校形预紧量LY；
S3.确定预紧力P。
4.根据权利要求3所述的高温合金焊接件退火校形方法，其特征在于，ΔL＝α·R·T，其中，α为线膨胀系数，R为半径，T为最大温差。
5.根据权利要求4所述的高温合金焊接件退火校形方法，其特征在于，LY＝ΔL-LB，其中，LB为技术要求允许变形量。
6.根据权利要求5所述的高温合金焊接件退火校形方法，其特征在于，
Figure FDA0003602117670000021
其中，c8为0.08，b为宽度，E为147GPa，h为厚度。
7.根据权利要求1所述的高温合金焊接件退火校形方法，其特征在于，所述高温合金焊接件是横截面为月牙形的锥体。
8.根据权利要求7所述的高温合金焊接件退火校形方法，其特征在于，所述框架型退火校形工装的第一支撑框(1)和第二支撑框(2)均为月牙形。
9.根据权利要求8所述的高温合金焊接件退火校形方法，其特征在于，所述框架型退火校形工装的壁厚为22～30mm。
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