CN113770508A - 一种提高gh4151惯性摩擦焊焊缝质量的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及一种提高GH4151惯性摩擦焊焊缝质量的工艺方法，所属航空发动机核心转子部件及盘轴类零件用GH4151合金的焊接技术领域；所述的工艺方法包括惯性摩擦焊三级压力方法，焊接前焊接凸台内、外面与最终零件尺寸保留加工余量，焊接完成后限定时间完成飞边去除和热处理工作，并且按照顺序进行缺陷检测。所述的三级压力工艺方法可以使焊接飞边的尖端裂纹不深入焊缝基体内，使飞边连续。在所述焊接前焊接凸台内、外面与最终零件尺寸保留加工余量，可以将可能存在的飞边尖端缺陷彻底加工去除，保证零件最终的焊缝质量。本发明还利用不同检测顺序对焊缝表面、浅表面、焊缝内部进行全面质量检测，有效提高焊缝质量和缺陷检测水平。

Description

一种提高GH4151惯性摩擦焊焊缝质量的工艺方法
技术领域
本发明专利涉及航空发动机核心转子部件及盘轴类零件用GH4151合金的焊接技术领域，具体为一种提高GH4151惯性摩擦焊焊缝质量的工艺方法，尤其适用于惯性摩擦焊焊接飞边存在尖端裂纹以及飞边发生断裂，分布不连续的情况。
背景技术
GH4151合金是一种新型航空发动机的结构材料，其高温性能优异，被视为极有应用前景的航空发动机材料。由于GH4151合金的强化相体积分数和合金元素含量很高，采用现有技术的熔焊技术易使焊缝产生裂纹等问题。惯性摩擦焊一种是固相焊接技术，其焊缝是锻态组织，因此惯性摩擦焊相比电子束焊、激光焊等铸态焊缝组织的焊接技术，在消除焊缝缺陷，提高GH4151合金焊缝质量方面具有明显优势。然而采用现有技术的惯性摩擦焊焊接工艺焊接GH4151合金，会使焊接飞边分布不连续，飞边出现残缺，飞溅严重等问题，而且飞边结合处会产生深入焊缝基体的裂纹，从而影响了焊缝质量。航空发动机核心转子部件是发动机关键部件，对焊接质量要求极为严格，不允许焊缝存在质量问题。
发明内容
本发明是针对现有技术焊接GH4151合金焊缝存在的裂纹缺陷，飞边尖端裂纹伸入焊缝基体，焊接飞边断裂、飞边不连续分布的缺陷问题作的工艺改进。
本发明的目的在于提供一种提高GH4151惯性摩擦焊焊缝质量的工艺方法，具体方案如下：
一种改善GH4151合金惯性摩擦焊焊缝质量的焊接方法，包括如下步骤：
步骤一：设计GH4151合金惯性摩擦焊焊接件的焊接结构，焊接结构设计焊接凸台，焊接凸台外表面与零件外表面保留2mm-3mm余量，焊接凸台内表面与零件内表面保留1.8mm-2.5mm余量；
步骤二： 将GH4151合金环形件加工到焊接结构的尺寸，焊接外径为100mm~400mm，焊接厚度为8mm~10mm，焊接接触面粗糙度介于Ra1.6~Ra2.5之间；
步骤三：焊接前检查焊接件与工装之间的配合程度，零件保持夹紧状态，使用酒精清理焊接面，将油污等异物擦除干净；
步骤四：选择焊接参数，焊接惯量范围600 kg﹒m2~1000kg﹒m2、当焊接外径在100mm-250mm范围时，焊接转速n在200rpm-300rpm选择；当焊接外径在251mm-400mm范围时，焊接转速n在100rpm-200rpm选择；焊接压力F采用三级焊接压力方式，焊接压力F范围在100吨-200吨范围，一级焊接压力为Fa，二级焊接压力为Fb，三级焊接压力为Fc，其中三级焊接压力Fc是1.1Fb~1.5Fb，三级焊接压力Fc为2Fa~2.5Fa；na为焊接件开始焊接的瞬时焊接转速，当焊接转速n为na以上时，施加一级焊接压力Fa，当焊接转速n为0.9na~na时，施加二级焊接压力Fb，当焊接转速n为0.8na~0.9na时，施加三级焊接压力Fc；按照上述工艺焊接带来的有益效果是可使焊接过程中焊缝部位挤出的飞边不发生飞溅、飞边分布连续，飞边结合处不易产生深入到焊缝内部的裂纹；
步骤五：焊接完成后，尽快车加工去除焊接飞边，焊接完成后在48小时内进行车加工处理，车加工后的尺寸保留焊缝部位外径和内径表面与零件外表面和内表面约0.9mm-1.3mm余量；
步骤六：车加工完成后尽快进行去应力退火处理，焊接后的热处理工艺为，将焊接件随炉升温至750℃~800℃范围，保温8h~14h后，取出焊接件，空冷至室温；
步骤七：对焊缝进行超声检测焊缝内部质量；
步骤八：第二次车加工焊缝部位，将焊接部位加工到零件最终尺寸；
步骤九：进行荧光检测检查焊缝表面质量；
步骤十：进行涡流检测检查焊缝浅表面质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明提供的一种提高GH4151惯性摩擦焊焊缝质量的工艺方法带来的有益效果，对比现有的电子束焊、激光焊等熔化焊技术，本发明的焊缝组织由锻造细晶构成，不是现有熔焊技术焊缝的柱状晶组织，本发明还细化了焊缝晶粒，解决了焊缝裂纹等缺陷难题；对比现有惯性摩擦焊工艺方法，解决了GH4151合金焊接飞边飞溅、飞边分布不连续、焊接飞边尖端裂纹深入焊缝基体的焊接缺陷问题，本发明还针对GH4151合金惯性摩擦焊焊缝可能存在的其他焊缝表面的缺陷问题，在焊接前保留了合理的焊接件加工余量，可在焊接后将可能存在的缺陷表面部分加工去除，保证零件的焊接质量；本发明还提供了一套焊接、加工、热处理、缺陷检测的工艺方法，相比现有技术，可在焊接后通过多次加工余量去除焊接缺陷，通过热处理消除焊接应力，利用不同检测顺序对焊缝表面、表面内部、焊缝内部进行全面质量检测，有效提高焊缝质量和缺陷检测水平。本发明带来的有益效果还有，对比现有技术，使用本发明工艺可使承温能力更高的GH4151合金成功应用到航空发动机核心部件中，使航空发动机的核心部件的承温能力提高100℃以上，从而提高航空发动机的推力。
附图说明
图1为现有技术惯性摩擦焊焊接GH4151合金的焊缝示意图；
图2为本发明焊接前的焊接件截面示意图；
图3为本发明惯性摩擦焊工艺曲线示意图；
图4为本发明焊接后焊接件截面示意图；
图5为本发明去除焊接飞边后的焊接件截面示意图。
图中：1-飞边尖端裂纹、2-连续飞边、3-母材基体、4- 焊缝、5-不连续飞边、6-焊接前焊接凸台、7- 焊接接触面、8-最终零件、9-焊接转速n、10-一级焊接压力Fa、11-二级焊接压力Fb、12-三级焊接压力Fc、13-焊接飞边、14-飞边尖端、15-去除飞边到零件最终尺寸。
具体实施方式
附图1为现有技术惯性摩擦焊焊接GH4151合金的焊缝示意图，飞边尖端裂纹1深入到焊缝4中，还存在不连续飞边5会使焊缝4附近的母材基体3出现缺口，这种不良的飞边形态将使GH4151焊缝质量下降。
下面将结合本发明中的附图2-5，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种改善GH4151合金焊缝质量的焊接方法，包括如下步骤：
步骤一：设计GH4151合金惯性摩擦焊焊接件的焊接结构：如图2所示，焊接前焊接凸台6内、外面与最终零件8尺寸保留加工余量，外表面保留2mm余量，内表面保留1mm余量；
步骤二： 将GH4151合金环形件加工到焊接结构的尺寸，焊接外径为100mm，焊接厚度为8mm，如图2所示，焊接接触面7粗糙度Ra1.6；
步骤三：焊接前检查焊接件与工装之间的配合程度，零件保持夹紧状态，使用酒精清理焊接面，将油污等异物擦除干净；
步骤四：选择焊接参数，焊接惯量为600kg﹒m2、焊接转速n为200rpm；Fa为50吨，Fb为91吨，Fc为100吨，如图3所示，n9为200rpm时，施加一级焊接压力Fa10，当焊接转速为180rpm时，施加二级焊接压力Fb11，当焊接转速为160rpm时，施加三级焊接压力Fc12；
步骤五：焊接完成后，如图4所示，尽快车加工去除焊接飞边13和飞边尖端14，焊接完成后在48小时内进行车加工处理，车加工后的尺寸保留焊缝部位外径和内径表面与零件外表面和内表面约0.9mm余量；
步骤六：车加工完成后尽快进行去应力退火处理，焊接后的热处理工艺为，将焊接件随炉升温至750℃，保温8h后，取出焊接件，空冷至室温；
步骤七：对焊缝进行超声检测焊缝内部质量；
步骤八：如图5，第二次车加工焊缝部位，去除飞边到零件最终尺寸15；
步骤九：进行荧光检测检查焊缝表面质量；
步骤十：进行涡流检测检查焊缝浅表面质量。
实施结果
待焊环形件完成焊接后，对待飞边的焊接组件进行外观目测检查、对机加工去除飞边的焊缝区域进行外观目视检查、荧光检测、相控阵超声波检测检查、涡流检测；外观目视检查结果表明：飞边尖端未伸入基体内部、内外飞边无裂纹、飞边呈连续分布、无中断现象；荧光着色检测结果表明：焊缝区域表面无裂纹等缺陷；相控阵超声波检查和涡流检测结果表明：焊缝内部无未焊上、焊缝区域无裂纹缺陷。
实施例2
一种改善GH4151合金焊缝质量的焊接方法，包括如下步骤：
步骤一：设计GH4151合金惯性摩擦焊焊接件的焊接结构，如图2所示，焊接前焊接凸台6内、外面与最终零件8尺寸保留加工余量，外表面保留2.5mm余量，内表面保留2mm余量；
步骤二： 将GH4151合金环形件加工到焊接结构的尺寸，焊接外径为250mm，焊接厚度为9mm，如图2所示，焊接接触面7粗糙度Ra2.0；
步骤三：焊接前检查焊接件与工装之间的配合程度，零件保持夹紧状态，使用酒精清理焊接面，将油污等异物擦除干净；
步骤四：选择焊接参数，焊接惯量为800kg﹒m2、焊接转速n为250rpm；Fa为68吨，Fb为115吨，Fc为150吨，如图3所示，当焊接转速n9为250rpm时，施加一级焊接压力Fa10，当焊接转速为225rpm时，施加二级焊接压力Fb11，当焊接转速为200rpm时，施加三级焊接压力Fc12；
步骤五：焊接完成后，如图4所示，尽快车加工去除焊接飞边13和飞边尖端14，焊接完成后在48小时内进行车加工处理，车加工后的尺寸保留焊缝部位外径和内径表面与零件外表面和内表面约1.1mm余量；
步骤六：车加工完成后尽快进行去应力退火处理，焊接后的热处理工艺为，将焊接件随炉升温至770℃，保温10h后，取出焊接件，空冷至室温；
步骤七：对焊缝进行超声检测焊缝内部质量；
步骤八：如图5，第二次车加工焊缝部位，去除飞边到零件最终尺寸15；
步骤九：进行荧光检测检查焊缝表面质量；
步骤十：进行涡流检测检查焊缝浅表面质量。
实施结果
待焊环形件完成焊接后，对待飞边的焊接组件进行外观目测检查、对机加工去除飞边的焊缝区域进行外观目视检查、荧光检测、相控阵超声波检测检查、涡流检测；外观目视检查结果表明：内外飞边无裂纹、飞边呈连续分布、无中断现象；荧光着色检测结果表明：焊缝区域表面无裂纹等缺陷；相控阵超声波检查和涡流检测结果表明：焊缝内部无未焊上、焊缝区域无裂纹缺陷。
实施例3
一种改善GH4151合金焊缝质量的焊接方法，包括如下步骤：
步骤一：设计GH4151合金惯性摩擦焊焊接件的焊接结构，：如图2所示，焊接前焊接凸台6内、外面与最终零件8尺寸保留加工余量，外表面保留3mm余量，内表面保留2.5mm余量；
步骤二： 将GH4151合金环形件加工到焊接结构的尺寸，焊接外径为400mm，焊接厚度为10mm，如图2所示，焊接接触面7粗糙度Ra2.5；
步骤三：焊接前检查焊接件与工装之间的配合程度，零件保持夹紧状态，使用酒精清理焊接面，将油污等异物擦除干净；
步骤四：选择焊接参数，焊接惯量为1000kg﹒m2、焊接转速n为100rpm；Fa为80吨，Fb为133吨，Fc为200吨，如图3所示，当焊接转速n9为100rpm时，施加一级焊接压力Fa10，当焊接转速为90rpm时，施加二级焊接压力Fb11，当焊接转速为80rpm时，施加三级焊接压力Fc12；
步骤五：焊接完成后，如图4所示，尽快车加工去除焊接飞边13和飞边尖端14，焊接完成后在48小时内进行车加工处理，车加工后的尺寸保留焊缝部位外径和内径表面与零件外表面和内表面约1.3mm余量；
步骤六：车加工完成后尽快进行去应力退火处理，焊接后的热处理工艺为，将焊接件随炉升温至800℃，保温14h后，取出焊接件，空冷至室温；
步骤七：对焊缝进行超声检测焊缝内部质量；
步骤八：如图5，第二次车加工焊缝部位，去除飞边到零件最终尺寸15；
步骤九：进行荧光检测检查焊缝表面质量；
步骤十：进行涡流检测检查焊缝浅表面质量。
实施结果
待焊环形件完成焊接后，对待飞边的焊接组件进行外观目测检查、对机加工去除飞边的焊缝区域进行外观目视检查、荧光检测、相控阵超声波检测检查和涡流检测；外观目视检查结果表明：内外飞边无裂纹、飞边呈连续分布、无中断现象；荧光着色检测结果表明：焊缝区域表面无裂纹等缺陷；相控阵超声波检查和涡流检测结果表明：焊缝内部无未焊上、焊缝区域无裂纹缺陷。

Claims (5)

1.一种提高GH4151惯性摩擦焊焊缝质量的工艺方法，其特征在于,包括如下步骤：
步骤一：设计GH4151合金惯性摩擦焊焊接件的焊接结构，焊接结构设计焊接凸台，焊接凸台内表面、焊接凸台外表面与零件内表面、零件外表面保留余量；
步骤二： 将GH4151合金环形件加工到焊接结构的尺寸，焊接外径为100mm~400mm，焊接厚度为8mm~10mm，焊接接触面粗糙度介于Ra1.6~Ra2.5之间；
步骤三：焊接前检查焊接件与工装之间的配合程度，零件保持夹紧状态，使用酒精清理焊接面，将油污等异物擦除干净；
步骤四：选择焊接参数，焊接惯量范围600 kg﹒m2~1000kg﹒m2、当焊接外径在100mm-250mm范围时，焊接转速n在200rpm-300rpm选择；当焊接外径在251mm-400mm范围时，焊接转速n在100rpm-200rpm选择；焊接压力F采用三级焊接压力方式，焊接压力F范围在100吨-200吨范围，一级焊接压力为Fa，二级焊接压力为Fb，三级焊接压力为Fc，其中三级焊接压力Fc是1.1Fb~1.5Fb，三级焊接压力Fc为2Fa~2.5Fa；na为焊接件开始焊接的瞬时焊接转速，当焊接转速n为na以上时，施加一级焊接压力Fa，当焊接转速n为0.9na~na时，施加二级焊接压力Fb，当焊接转速n为0.8na~0.9na时，施加三级焊接压力Fc；
步骤五：焊接完成后，尽快车加工去除焊接飞边；
步骤六：车加工完成后尽快进行去应力退火处理，焊接后的热处理工艺为，将焊接件随炉升温至750℃~800℃范围，保温8h~14h后，取出焊接件，空冷至室温；
步骤七：对焊缝进行超声检测焊缝内部质量；
步骤八：第二次车加工焊缝部位，将焊接部位加工到零件最终尺寸；
步骤九：进行荧光检测检查焊缝表面质量；
步骤十：进行涡流检测检查焊缝浅表面质量。
2.根据权利要求1所述的一种提高GH4151惯性摩擦焊焊缝质量的工艺方法，其特征在于，步骤一中焊接件的焊接凸台外表面与零件外表面保留2mm-3mm余量，焊接凸台内表面与零件内表面保留1.8mm-2.5mm余量。
3.根据权利要求1所述的一种提高GH4151惯性摩擦焊焊缝质量的工艺方法，其特征在于，步骤五中车加工后的尺寸保留焊缝部位外径和内径表面与零件外表面和内表面约0.9mm-1.3mm余量。
4.根据权利要求1所述的一种提高GH4151惯性摩擦焊焊缝质量的工艺方法，其特征在于，步骤五中焊接完成后，车加工去除焊接飞边，焊接完成后在48小时内进行车加工处理。
5.根据权利要求1所述的一种提高GH4151惯性摩擦焊焊缝质量的工艺方法，其特征在于，步骤六中车加工完成后进行去应力退火处理，在24小时内进行热处理。
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