CN1792534A - 燃气轮机压气机静叶环高压真空电子束焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机压气机静叶环高压真空电子束焊接的方法。采用高压真空电子束焊机及在150kV加速电压下的最佳焊接工艺参数及合理的焊接顺序，控制静叶环焊接变形及焊缝质量。克服了结构尺寸大，整体刚性差，焊接量大，焊接变形大，装配精度高等技术难点，有效地控制了燃气轮机压气机静叶环的焊接变形和焊缝质量问题，达到设计尺寸要求，同时也大大缩短了生产周期、降低了劳动成本、提高了生产效率。

Description

燃气轮机压气机静叶环高压真空电子束焊接方法

技术领域

本发明属于燃机压气机静叶环的高压真空电子束焊接(简称EBW)技术方法，适用于因结构原因在焊接制造中存在的焊接变形和焊缝质量问题，特别是燃机压气机静叶环具有以下特点：结构简单，尺寸大，整体刚性较差，尺寸精度要求高，零件清洁度要求高，装配间隙要求严格，焊缝数量多，焊接量大，焊接过程中容易产生较大的焊接变形和裂纹。

背景技术

目前，在燃机压气机静叶环的焊接生产在国内尚无先例，国外一般采用中压真空电子束焊接，对我国进行技术保密，因此，进行焊接变形和焊接质量控制存在以下的难点：如何将叶片连接成环，使静叶环在装配过程中的变形最小；电子束焊接时必然产生直径方向的焊接收缩变形，但预放收缩余量的多少和焊接顺序很难精确控制；由于产品为圆环结构，径向刚性强，焊接时容易产生裂纹；针对静叶环材料的真空电子束焊接参数很难确定，尤其是关键参数对焊接变形和焊接裂纹影响很大；电子束焊接后的热处理也容易产生变形，如何控制等等。由于过去没有电子束焊接设备和相关技术，导致在燃气轮机关键部件的焊接制造技术难有突破，制约着我国燃气轮机制造技术的发展。

发明内容

本发明的目的是针对上述的技术难点，通过对焊接变形和焊接质量分析，通过大量的焊接试验，研究发明出一种切实可行的控制焊接变形和焊缝质量的方法。其技术解决方案是：包括采用高压真空电子束焊机及其焊接工艺参数，其方法是：

1.在叶片加工时零件预留焊接收缩余量：+0.9-+2.9mm；并设计专用装配工装、确保产品直径按要求放大；

2.叶片装配时将装配面间隙控制到0.05mm以内，局部最大间隙不超过0.10mm；

3.采用手工TIG进行定位焊接，机器人TIG焊进行加固焊接，以最大限度减少焊接变形；

4.电子束焊接前对工件进行退磁处理，剩磁控制在5高斯以下；

5.电子束焊接前对气道用铜板保护，同时起到传热降温作用；

6.采用合理的焊接顺序和焊接速度，防止焊缝过热产生高温裂纹，防止焊缝冷却速度过快产生冷裂纹；

7.焊接后对产品进行校圆，并分段焊接在刚性底板上，然后连同刚性底板一起进行去应力热处理。

所述最佳焊接工艺参数是：加速电压150kV，电子束流30-90mA，焊接速度2.0-5.0mm/s。

所述合理的焊接顺序是：先焊入口侧，后焊出口侧，总的顺序按A、B、C、D、E……进行。

所述去应力热处理是：在炉内按温度：645-695℃，保温4--6小时，降温至260℃以下出炉。

本发明采用的高压真空电子束焊机，功率为30kW，最大加速电压为150kV。与中压真空电子束焊机相比具有以下优点：加速电压高(中压一般为60-80kV，高压一般为100-150kV)，电子束聚焦能力强，在很宽的范围内高功率密度变化不大，所以工作距离长；在相同功率情况下，高压电子束焊接所需要的束流小，易于获得直径小、功率密度大的束斑和深宽比大的焊缝，这对大厚度板材的单道焊及难熔金属和热敏感性强的材料的焊接，特别适宜；在焊接同样焊缝情况下，高压电子束焊接所需要功率较小，焊缝成形美观；高压电子束易受杂散电磁场的干扰较中压小。

本发明采用了上述控制焊接变形及焊缝质量技术措施，克服了结构尺寸大，整体刚性差，焊接量大，焊接变形大，装配精度高等技术难点；有效地控制了燃气轮机压气机静叶环的焊接变形和焊缝质量，达到设计尺寸要求，同时也大大缩短了生产周期、降低了劳动成本、提高了生产效率。

附图说明

图1是横向收缩的形成和焊接内收缩应力示意图。

图2是电子束焊与气保焊的焊接变形对比图。

图3是装焊件焊接后焊缝纵向收缩变形示意图。

图4是装焊件焊接后焊缝横向收缩变形示意图。

图5是装焊件焊接后焊缝角变形示意图。

图6是电子束焊直径预放收缩量曲线图。

图7是加固焊接示意图。

图8是电子束焊焊接顺序示意图。

具体实施方式

参照图1-图6，焊接变形及裂纹分析：本产品整体结构简单，但刚性差、尺寸大，焊接变形是主要问题。必须从预放焊接收缩量、加强刚性固定、合理选择焊接规范以及选择合理的装配焊接顺序几个方面来控制变形。首先是焊接应力对变形的影响，应力产生于焊接发生的加热和冷却期间，内部焊接应力是指冷却到室温后那些保留在部件焊接处的应力。焊接应力或内部焊接应力可导致各种裂纹(热裂、收缩裂纹等)的形成，这也是部件产生变形的主要原因。图1是横向收缩的形成和焊接内收缩应力示意图，图中a)表示焊接前，b)表示焊接中的膨胀，c)表示自由收缩，d)表示被阻止收缩。图2表示与常规焊接方法相比，采用电子焊的工件具有变形量很小的优点。尽管如此，仍需要能够预测这种变形的数量和方向。以便在实际焊接中产品尺寸能够满足设计要求。图3、图4、图5分别代表了纵向、横向收缩变形和角变形，所述角变形是焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移。图6代表预放焊接收缩量分析，对接接头纵向收缩量：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{K_{1\·}{K}_{2\·}{F}_{H\·}L}{F}\left(\mathrm{mm}\right)$

式中   F_H——单道焊缝截面积mm²

F——构件截面积mm²

ΔL——纵向收缩量mm

L——构件长度mm

K₁——系数，对电子束焊K₁＝0.03；

K₂---单层焊的纵向收缩系数K₂＝1.49

根据上述纵向收缩量公式，代入实际产品(以静叶环为例)并换算成直径收缩量，得出的数据绘成的曲线图。电子束焊接后若不进行热处理，直径预留应+1.4--+3.7mm收缩余量。但实际上为了去除焊接应力，需要进行去应力热处理，而热处理后由于焊接应力松弛，直径有一定程度长大，故实际直径收缩余量应扣除热处理后直径长大量，预放量修正后为+0.9--+2.9mm。焊接裂纹分析：由于焊接应力或内部焊接应力可导致各种裂纹(热裂、收缩裂纹等)的形成，电子束焊接时，热输入虽小，但很集中。在焊接环形产品、如压气机静叶环时，焊接过程中产生的热膨胀可以使直径变大，冷却过程中受热的导叶收缩，这两方面的作用导致叶片冠与冠之间产生0.5-1mm  间隙，另一方面，静叶环叶片材料为12％Cr型马氏耐热钢，焊接速度过快将会产生冷裂纹，过慢又将会出现高温裂纹倾向。

通过以上对焊接变形分析，不难看出：由于工件直径大，轴向刚性强，材料的焊接性差，焊接和热处理均有可能产生较大的变形(如不圆、不平)。因此，工艺方案应充分考虑防止变形的措施，主要采取了以下几方面的控制措施：

一.焊接变形控制：

(1)在直径上预放收缩余量；

(2)对结构刚性差的部位，采用工艺焊缝进行加固，见图7中内外圆面上的长条形焊缝；

(3)合理地选择焊接规范，采用真空电子焊方法，可以有效地减小焊接变形，采用大量的焊接试验，摸索出在150KV加速电压下的最佳焊接工艺参数：电子束流30-90mA，焊接速度2.0-5.0mm/s。产品焊接时严格按照试验确定的最佳参数进行焊接；

(4)选择合理的焊接顺序，由于焊缝数量多，收缩量大，径向刚性拘束强，其焊接变形和裂纹受焊接顺序影响很大，通过模拟产品的焊接试验，得出了最佳的焊接顺序，如图8所示，先焊入口侧，后焊出口侧，总的顺序按A、B、C、D、E……进行；

(5)焊接后去应力退火前进行矫正，并用工艺焊缝固定在热处理胎具上；

(6)焊后整体去应力退火。

二.焊接裂纹控制：

(1)高温裂纹控制：焊接过程中在焊缝中心出现纵向裂纹，主要是由焊接高温停留时间太长、焊缝中低熔点共晶杂质含量过多和焊接拘束应力造成。在控制了材料杂质含量的基础上，主要控制焊接速度(不低于2.0mm/s)和焊接顺序来降低高温停留时间，改善焊接拘束应力状态。

(2)冷裂纹控制：冷裂纹与焊缝中氢含量过高、接头淬硬倾向大和焊接拘束应力大有关，一般在焊后延迟一段时间出现，故又称延迟裂纹。主要控制措施：控制母材含氢量(小于100ppm)；焊接前采用电子束散焦预热，采用二倍于正式焊接的速度，降低接头的拘束应力；控制正式焊的焊接速度(不高于5.0mm/s)；焊后在真空室内保温一段时间(不低于20分钟)；48小时内进行去应力热处理。

Claims (4)

1.一种燃气轮机压气机静叶环高压真空电子束焊接的方法，包括采用高压真空电子束焊机及其焊接工艺参数，其方法是：

在叶片加工时零件预留焊接收缩余量：+0.9--+2.9mm；并设计专用装配工装、确保产品直径按要求放大；

叶片装配时将装配面间隙控制到0.05mm以内，局部最大间隙不超过0.10mm；

采用手工TIG进行定位焊接，机器人TIG焊进行加固焊接，以最大限度减少焊接变形；

电子束焊接前对工件进行退磁处理，剩磁控制在5高斯以下；

电子束焊接前对气道用铜板保护，同时起到传热降温作用；

采用合理的焊接顺序，防止焊缝过热产生高温裂纹，防止焊缝冷却过快产生冷裂纹；

焊接后对产品进行校圆，并分段焊接在刚性底板上，然后连同刚性底板一起进行去应力热处理。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机压气机静叶环高压真空电子束焊接的方法，是在150kV加速电压下的最佳焊接工艺参数是：电子束流30-90mA，焊接速度2.0-5.0mm/s。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机压气机静叶环高压真空电子束焊接的方法，所述合理的焊接顺序是：先焊入口侧，后焊出口侧，总的顺序按A、B、C、D、E......进行。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机压气机静叶环高压真空电子束焊接的方法，所述去应力热处理是：在炉内按温度：645-695℃，保温4-6小时，降温至260℃以下出炉。

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