CN115555687A - 一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法 - Google Patents

一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法，步骤为：组织与性能评估，验证修复工艺、热处理工艺是否满足材料质量要求；焊前光学三维扫描；机匣组件焊缝及周围荧光检测；对机匣组件线性显示区域清理，直到无显示为止；装夹焊接防变形专用工装；开通冷却水与保护气；氩弧焊补焊；补焊完成后，对补焊后的焊缝无损检测；局部去应力退火；拆卸防变形专用工装焊后光学三维扫描；零件双时效热处理；打磨补焊后的焊缝至圆滑转接。本发明降低了补焊区焊接变形，提高了机匣组件的尺寸精度，有效的防止了机匣组件焊接过程中氧化引起的性能下降，保证了补焊区域焊接质量达到锻件标准，延长机匣组件的使用寿命。

Description

一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法
技术领域
本发明涉及航空发动机维修的技术领域，更具体地说，涉及一种某型航空发动机机匣组件氩弧焊修复变形控制方法。
背景技术
机匣组件属于多焊缝环类零件，材料为高温合金GH4169，壁厚2～4mm，由外环、内环和8块承力支环组成，内环与外环通过承力支环焊接连接。然而，由于机匣组件结构存在焊缝数量较多及服役于高温、高压、旋转振动或强腐蚀等环境下，容易在承力支环与内、外环焊缝处产生长裂纹而报废。为了延长使用寿命，常规的维修手段是氩弧焊，但裂纹条数较长，在修复过程中容易氧化和产生较大的焊接应力，使得修复后焊接变形大，无法达到装配精度和性能要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于某型航空发动机机匣组件氩弧焊防变形工装及确保零件修复质量的方法，具体技术方案如下：
一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法，包括以下步骤：
S1：用相同材料、相同性能的焊接试片进行GH4169焊丝氩弧焊工艺评定，验证修复工艺、热处理工艺是否满足材料质量要求；
S2：采用光学三维扫描仪将机匣组件焊前尺寸记录；
S3：将机匣组件内外环与承力支环焊缝区域荧光检测；
S4：对机匣组件线性显示区域打磨清理后，再次进行打磨区域荧光检测，发现未清理掉的缺陷，需进行多次打磨清理和荧光检测，直到无显示为止；
S5：装夹焊接防变形专用工装；
S6：开通冷却水与保护气；
S7：采用与工艺评定相同工艺参数对待补焊区域进行氩弧焊补焊；
S8：补焊完成后，对补焊部位进行外观检测、荧光检测和射线检测，保证焊接质量符合标准要求；
S9：对补焊部位进行局部去应力退火，热处理规范为500℃±10℃/保温2h，空冷；
S10：拆卸防变形专用工装；
S11：对补焊后的机匣组件进行光学三维扫描，比对补焊前后焊缝及周围尺寸偏差；
S12：机匣组件双时效热处理；
S13：对补焊区域钳工打磨，保证焊缝与基体圆滑转接。
优选地，所述步骤S3中通过荧光检测确定机匣组件焊缝裂纹位置和范围，并标记，得到待补焊区域。
优选地，所述步骤S5中用于机匣组件氩弧焊焊接防变形工装构成如下：上盖板螺纹孔、上盖板、上盖板螺纹孔、上支撑环、内外环支撑装置、底座螺纹孔、底座、内支撑环、背部气保护装置，各个部件通过六角头螺钉连接、紧固，机匣组件用原有的螺纹孔与底座、上盖板连接。底座根据机匣组件尺寸加工有卡槽，方便装配定位。内外环支撑装置共8个，由外撑块、L型定位块、上压板、T型辅助压块、T型内撑块组成，L型定位块与底座用螺钉连接，L型定位块、内支撑环侧面加工有螺纹孔，通过螺钉使机匣组件与外撑块、T型内撑块形成紧密配合，其中靠近待补焊承力支环的T型内撑块、外撑块由紫铜加工而成，并配备水冷通路，具有防变形和冷却补焊区域双重作用。通过紧固上压板螺钉可压紧T型辅助压块，减小机匣组件上下表面变形。背部气保护装置由挡板、紧固杆、背部气保护铜块组成，通过紧固杆、螺帽将挡板、背部气保护铜块连接起来，背部气保护铜块是根据机匣组件承力支环形状随形设计，再按一定距离、大小在待补焊区域背部用电火花打数个小孔，既可以通氩气保护减小补焊区域氧化，又可作为支撑减小补焊区域及周围变形。
优选地，所述步骤S7中氩弧焊补焊工艺参数为：钨极直径1.6mm，喷嘴直径8mm，电流20A～30A，焊枪保护氩气流量12L/min～18L/min，背面保护氩气流量3L/min～5L/min。补焊时内环或外环外壁堆焊一层、里壁堆焊一层，循环往复完成补焊。
优选地，所述步骤S7中通过氩弧焊补焊的同时，为保证补焊质量及减小热输入，补焊区域需要足够的氩气保护，因此防变形工装配备了背面气保护(正面焊枪氩气保护)及水冷装置。
优选地，所述步骤S8中若补焊后的焊缝呈银白色，相对于周围非修复区留有0.4～0.8mm余量，则焊缝外观检测合格。再分别进行荧光检测、射线检测，若补焊焊缝有裂纹、气孔缺陷，则重复步骤打磨清理、步骤S7和S8重新进行补焊，直至无气孔、裂纹缺陷。
优选地，所述步骤S9中去应力退火是在工装夹持下，采用局部热处理装置进行补焊区域热处理，以降低应力，从而减小工装拆卸后零件变形。
优选地，所述步骤S12中双时效热处理的条件为：在真空炉中720℃±10℃/保温8h、然后以50℃/h的冷却速度炉冷至620℃±10℃/保温8h、氩气快冷至≤100℃出炉。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明提供的薄壁机匣氩弧焊修复方法，能够有效控制补焊区域变形，且接头强度满足锻件标准，使修复后的机匣组件满足发动机装配使用及寿命要求。
2.本发明提出的用于机匣组件氩弧焊焊接防变形工装，同类零件可继续使用，适用范围广，且能够确保一次补焊质量，降低了成批修复成本，便于推广应用。
附图说明
图1是机匣组件氩弧焊焊接防变形工装结构图。
图2是内外环支撑装置结构图。
图3是补焊区域T型内撑水冷铜块结构图。
图4是补焊区域外撑水冷铜块结构图。
图5是带背部气保护装置的防变形工装正面局部剖视图。
图6是带背部气保护装置的防变形工装侧面局部剖视图。
图7是背部气保护铜块结构图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式和附图对本发明详细阐述，具体工艺步骤为：
S1：选择与机匣组件相同材料、相同性能的GH4169基体材料，焊丝选用GH4169焊丝，进行工艺可行性(堆焊、热处理)验证。通过金相观察、显微硬度检测、拉伸性能测试对不同热处理态的堆焊层进行综合性能评估，拉伸试样采用对接坡口的方式，金相、显微硬度也从对接坡口堆焊区取样，以获得堆焊层与母材的结合力；
采用氩弧焊堆焊最优参数：钨极直径1.6mm，喷嘴直径8mm，电流20A～30A，焊枪保护氩气流量12L/min～18L/min，背面保护氩气流量3L/min～5L/min，所得对接接头堆焊层表面成型良好，呈金属光泽。400℃退火、500℃退火试样硬度都低于堆焊态，双时效试样硬度与母材硬度相当。拉伸试验后，抗拉强度、屈服强度与原母材基本相同，满足锻件标准；
S2：采用光学三维扫描仪将机匣组件焊前尺寸记录；
S3：按HB/Z 61《渗透检验》逐件对机匣组件进行荧光检测，标记线性显示区域；
S4：在荧光灯下对机匣组件线性显示区域打磨清理，完全清理后，再次进行打磨区域荧光检测，发现未清理掉的缺陷，需进行多次打磨清理和荧光检测，直到无显示为止；
S5：放置机匣组件到焊接防变形专用工装(图1)底座上，需各个螺纹孔与底座螺纹孔同心，再使用螺钉紧固机匣下表面与底座，拧紧后放置内外环支撑装置并紧固螺丝以使机匣组件与内外环支撑装置紧密装配。其次，装夹背部气保护装置到待补焊区域并连接好水冷和氩气管路。最后，将上盖板盖到机匣组件之上，拧紧各个螺丝；
S6：检查冷却水管路与氩气管路，无泄漏则开通冷却水与保护气；
S7：采用以下氩弧焊堆焊参数：钨极直径1.6mm，喷嘴直径8mm，电流20A～30A，焊枪保护氩气流量12L/min～18L/min，背面保护氩气流量3L/min～5L/min，对机匣组件待补焊区域进行氩弧焊补焊；
S8：补焊完成后，对补焊部位依次进行外观检测、荧光检测和射线检测。外观检测采用目视方法，要求是补焊区无缺损，相对于周围非修复区留有0.4～0.8mm余量；按HB/Z61《渗透检验》对机匣组件补焊区外部质量进行荧光检查，要求：补焊区域不允许存在夹杂、裂纹、气孔和未熔合等缺陷，热影响区不允许存在裂纹；按HB/Z 20160《X射线照相检测》对机匣组件补焊区进行内部质量的X射线检测，要求：补焊区及其热影响区内部不应有裂纹，补焊区内部不应有未熔合、片状或带尖角的夹杂物等缺陷，补焊区内部不允许存在带尖角或直径大于0.2mm的圆形气孔。若补焊区检测不合格，则重复步骤打磨清理、步骤S7和S8重新进行补焊，直至符合标准要求，总补焊次数不超过3次；
S9：氩弧焊补焊完成后，采用陶瓷加热带对补焊后的局部机匣组件进行去应力退火，需放置热电偶端部在零件与加热带之间，并用石棉包裹加热带与局部零件进行保温，热处理规范为500℃±10℃/保温2h，空冷；
S10：拆卸防变形专用工装；
S11：对补焊后的机匣组件进行光学三维扫描，对比补焊前模型，补焊区各分散测试点的结果确保高出0.4mm以上，以便打磨修理，其余非补焊位置实测尺寸，结果是临近补焊区变形量≤0.2mm，远离补焊区变形量≤0.06mm；
S12：将机匣组件放置在卧式真空炉中热处理，热处理制度为：720℃±10℃/保温8h、然后以50℃/h的冷却速度炉冷至620℃±10℃/保温8h、氩气快冷至≤100℃出炉；
S13：对补焊区域钳工打磨，保证焊缝与基体圆滑转接。修复后满足装配要求，已装机使用。
用于机匣组件氩弧焊焊接防变形工装构成如下：上盖板螺纹孔1、上盖板2、上盖板螺纹孔3、上支撑环4、内外环支撑装置5、底座螺纹孔7、底座8、内支撑环9、背部气保护装置10，各个部件通过六角头螺钉连接、紧固，机匣组件6用原有的螺纹孔与底座8、上盖板2连接。底座8根据机匣组件6尺寸加工有卡槽，方便装配定位。内外环支撑装置5共8个，由外撑块11、L型定位块12、上压板13、T型辅助压块14、T型内撑块15组成，L型定位块与底座8用螺钉连接，L型定位块12、内支撑环9侧面加工有螺纹孔，通过螺钉使机匣组件与外撑块11、T型内撑块形成紧密配合，其中靠近待补焊承力支环的T型内撑块、外撑块由紫铜加工而成，并配备水冷通路，具有防变形和冷却补焊区域双重作用。通过紧固上压板13螺钉可压紧T型辅助压块，减小机匣组件上下表面变形。背部气保护装置10由挡板16、紧固杆17、背部气保护铜块18组成，通过紧固杆、螺帽将挡板、背部气保护铜块连接起来，背部气保护铜块是根据机匣组件承力支环形状随形设计，再按一定距离、大小在待补焊区域背部用电火花打数个小孔，既可以通氩气保护减小补焊区域氧化，又可作为支撑减小补焊区域及周围变形。
与现有技术相比，采用本发明技术方案修复的机匣组件，补焊区无气孔、裂纹等缺陷，接头显微硬度与锻件母材相当、拉伸性能满足锻件要求，综合机械力学性能较好，且变形控制较好，尺寸满足装配要求。同时，防变形专用工装可适用于同类零件，氩弧焊工艺简单，降低了成批机匣的修复成本。现已实现装机使用。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，不能以此来限制本发明权利之范围，凡是利用本发明内容所作的等效替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：用相同材料、相同性能的焊接试片进行GH4169焊丝氩弧焊工艺评定，验证修复工艺、热处理工艺是否满足材料质量要求；
S2：采用光学三维扫描仪将机匣组件焊前尺寸记录；
S3：将机匣组件内外环与承力支环焊缝区域荧光检测；
S4：对机匣组件线性显示区域打磨清理后，再次进行打磨区域荧光检测，发现未清理掉的缺陷，需进行多次打磨清理和荧光检测，直到无显示为止；
S5：装夹焊接防变形专用工装；
S6：开通冷却水与保护气；
S7：采用与工艺评定相同工艺参数对待补焊区域进行氩弧焊补焊；
S8：补焊完成后，对补焊部位进行外观检测、荧光检测和射线检测，保证焊接质量符合标准要求；
S9：对补焊部位进行局部去应力退火，热处理规范为500℃±10℃/保温2h，空冷；
S10：拆卸防变形专用工装；
S11：对补焊后的机匣组件进行光学三维扫描，比对补焊前后焊缝及周围尺寸偏差；
S12：机匣组件双时效热处理；
S13：对补焊区域钳工打磨，保证焊缝与基体圆滑转接。
2.按照权利要求1所述的一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法，其特征在于：所述步骤S3中通过荧光检测确定机匣组件焊缝裂纹位置和范围，并标记，得到待补焊区域。
3.按照权利要求1所述的一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法，其特征在于：所述步骤S5中用于机匣组件氩弧焊焊接防变形工装构成如下：上盖板螺纹孔、上盖板、上盖板螺纹孔、上支撑环、内外环支撑装置、底座螺纹孔、底座、内支撑环、背部气保护装置，各个部件通过六角头螺钉连接、紧固，机匣组件用原有的螺纹孔与底座、上盖板连接。底座根据机匣组件尺寸加工有卡槽，方便装配定位；内外环支撑装置共8个，由外撑块、L型定位块、上压板、T型辅助压块、T型内撑块组成，L型定位块与底座用螺钉连接，L型定位块、内支撑环侧面加工有螺纹孔，通过螺钉使机匣组件与外撑块、T型内撑块形成紧密配合，其中靠近待补焊承力支环的T型内撑块、外撑块由紫铜加工而成，并配备水冷通路，具有防变形和冷却补焊区域双重作用；通过紧固上压板螺钉可压紧T型辅助压块，减小机匣组件上下表面变形；背部气保护装置由挡板、紧固杆、背部气保护铜块组成，通过紧固杆、螺帽将挡板、背部气保护铜块连接起来，背部气保护铜块是根据机匣组件承力支环形状随形设计，再按一定距离、大小在待补焊区域背部用电火花打数个小孔，既可以通氩气保护减小补焊区域氧化，又可作为支撑减小补焊区域及周围变形。
4.按照权利要求1所述的一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法，其特征在于：所述步骤S7中氩弧焊补焊工艺参数为：钨极直径1.6mm，喷嘴直径8mm，电流20A～30A，焊枪保护氩气流量12L/min～18L/min，背面保护氩气流量3L/min～5L/min。补焊时内环或外环外壁堆焊一层、里壁堆焊一层，循环往复完成补焊；通过氩弧焊补焊的同时，为保证补焊质量及减小热输入，补焊区域需要足够的氩气保护，因此防变形工装配备了背面气保护(正面焊枪氩气保护)及水冷装置。
5.按照权利要求1所述的一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法，其特征在于：所述步骤S8中若补焊后的焊缝呈银白色，相对于周围非修复区留有0.4～0.8mm余量，则焊缝外观检测合格；再分别进行荧光检测、射线检测，若补焊焊缝有裂纹、气孔缺陷，则重复步骤打磨清理、步骤S7和S8重新进行补焊，直至无气孔、裂纹缺陷。
6.按照权利要求1所述的一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法，其特征在于：所述步骤S9中去应力退火是在工装夹持下，采用局部热处理装置进行补焊区域热处理，以降低应力，从而减小工装拆卸后零件变形。
7.按照权利要求1所述的一种薄壁机匣组件氩弧焊修复变形控制方法，其特征在于：所述步骤S12中双时效热处理的条件为：在真空炉中720℃±10℃/保温8h、然后以50℃/h的冷却速度炉冷至620℃±10℃/保温8h、氩气快冷至≤100℃出炉。
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