试述合金镍基高温合金异形筒体零件焊接工艺

论文导读：陷：A镍基高温合金异形筒体零件，是重型燃机燃烧室部分的一个单件（过渡段），用于燃机燃烧室后部高温燃气整流，将燃烧室火焰筒出口的圆形截面燃气流过渡为透平导叶前的扇形截面燃气流。通过异形筒体零件截面形状的渐变，将燃气流截面积收敛到一定程度而达到涡轮进口要求的轴向流速，实现推动涡轮转动的目的。零件在900℃～1
摘要：镍基高温合金异形筒体零件由拉深成形的上、下半部通过氩弧焊（TIG）焊接方法连接成整体。本文从镍基合金的焊接性能和零件焊接参数选择出发，分析了异形筒体零件TIG焊产生焊接缺陷和焊接变形的原因，并讨论了减少焊接缺陷和控制焊接变形的相关措施。
关键词：镍基高温合金；氩弧焊接；焊接变形；焊接缺陷
：A
镍基高温合金异形筒体零件，是重型燃机燃烧室部分的一个单件（过渡段），用于燃机燃烧室后部高温燃气整流，将燃烧室火焰筒出口的圆形截面燃气流过渡为透平导叶前的扇形截面燃气流。通过异形筒体零件截面形状的渐变，将燃气流截面积收敛到一定程度而达到涡轮进口要求的轴向流速，实现推动涡轮转动的目的。零件在900℃～1100℃的高温条件下工作，要求零件的型面截面积收敛速度适当，由圆形到扇形过渡平滑，并能够改善出口流场均匀性。但是从加工角度讲，异形筒体零件是一个复杂的空间异形结构，无法实现整体成形，需要通过拉深成形上、下半部，再由纵向焊缝连成整体。
不同型别的异形筒体零件，空间曲面的变化差异较大，如图1给出两个型别的异形筒体零件结构示意图。由图1可以看出，在高温环境中零件要改变流道气流方向，各部位受力是不均匀的，频繁的热冲击易产生较大内应力和应力集中，在经过一段时间后就难以保证零件的刚度和热强度要求，而焊缝质量是影响零件使用寿命的关键部位。本文通过确定异形筒体的TIG焊接工艺参数，分析了零件焊接缺陷和焊接变形的产生原因，讨论了提高零件焊接质量和控制焊接变形的措施，为其他异形筒体零件的焊接提供了参考和依据。
1 镍基高温合金异形筒体零件的焊接方法分析
镍基高温合金异形筒体零件连接着燃烧室火焰筒的出气口和涡轮的进气口，筒体空间构造复杂，焊缝亦是如此，图2给出了镍基高温合金异形筒体零件的UG数模示意图。从图中可以看出，两条纵向焊缝中心是异形筒体零件上下半部分型面与零件的相交线，相对于圆口中心和扇型方口中心所构成的垂直平面对称，焊缝起始于零件圆口端面，终止于扇形方口端面上半部转接圆角的切点。因为零件成形后型面回弹较大，导致零件装配间隙不均，不能制造有效的焊接背保夹具实现机械化自动焊接。而且不同型别燃机的异形筒体零件，尺寸和形状差异较大，焊缝线性长度从400mm到2000mm不等，因此，对于高温镍基合金异形筒体零件的焊接一直采用手工氩弧焊（TIG）。
2异形筒体的焊接
异形筒体零件选用的材料均为耐高温腐蚀并具有良好高温强度、塑性和韧性的镍基高温合金，具体化学成分含量如表1、表2所示。采用4.78mm厚的N263（美国材料牌号）或3.18mm厚的Hast X（美国材料牌号）镍基高温合金板料拉深成形上、下半部后，应用手工氩弧焊（TIG）对零件的两条纵向焊缝进行装配定位焊及焊接。焊机型号SQVARE WE，TIG-355，额定电流350A最大。焊接时打底焊所用焊丝为Ф1.6mm，中间层和罩面层所用焊丝为Ф2.4mm。零件焊接所用的焊丝合金成分分别与表1、表2相同，这也从焊接选材上保证异形筒体零件焊缝与基体母材的力学性能一致。

2.1 焊接工艺参数

镍基高温合金的液态金属的流动性较差，其熔透深度只有珠光体钢的50%或奥氏体钢的60%，若焊接工艺参数不当，易出现未焊透等缺陷。但若加大焊接电流来提高其液态金属的流动性，因奥氏体组织的大电阻率增加了焊缝的热输入量使裂纹倾向增加。所以，镍基高温合金异形筒体零件上、下半部采用对接方式连接，为了保证熔合良好，适应TIG焊熔深浅的特点，一方面实行多层焊，另一方面增大坡口角度，适当减小根部钝边厚度。这样可保证焊丝和焊炬能够达到坡口的根部，并使其在坡口中容易运作，保证零件全焊透。因此，焊缝接头一般开V形坡口，坡口示意图如图3所示，坡口尺寸如表3所示。
镍基高温合金是单相奥氏体组织，电阻率大，焊接熔池过热或焊接速度太慢，都会增大焊接热输入，使晶粒长大，导致焊接热影响区的晶粒粗大，降低焊缝接头的塑性及抗裂能源于：论文提纲格式www.7ctime.com
力。当异形筒体零件焊接时，若在晶界上析出的低熔点金属间化合物形成液态薄膜，减弱了晶粒的结合强度，在焊接应力作用下就会产生液化裂纹。因此，零件焊接时要采用小的焊接热输入，并采用短段焊接。通过多次试验调整，最终确定手工氩弧焊的焊接工艺参数如表4所示。从表中可以看出，保护气体Ar气纯度为99.99%，为保证焊接电弧稳定，正面保护气体流量为5～8L/min，反面保护气体流量为15～20L/min，焊接电流120-150A。零件焊接采用的焊丝直径大小取决于被焊母材厚度，因此用Ф1.6mm的焊丝进行定位及打底焊接，并尽量用较小的焊接电流，可以保证定位焊点在焊接时能够完全熔化；焊接时用Ф

2.4mm的焊丝，可以提高零件焊接效率。

2.2焊接缺陷

按表4的焊接参数进行异形筒体零件的焊接，焊后目视检查发现，零件内侧焊缝成形不均匀，表面氧化严重，表面气孔数量较多，尤其是在焊缝曲线变化急剧的部位，同时也存在不同程度的错边。对零件焊缝进行X-ray射线检查，发现焊缝中存在不同程度的裂纹、夹渣、气孔、夹钨等缺陷，其中前三类缺陷占的比重较大。总之，异形筒体零件中焊接缺陷的存在严重影响了零件的交付质量。
镍基高温合金异形筒体零件上、下半部的对接焊缝间隙0～3.0mm大小不等，导致零件焊接时熔透均匀性不好，背面焊缝的成形宽度不均匀，余高差别较大。同时，异形筒体零件上、下半部成形、校型时的内应力和回弹使零件在装配定位焊时产生较大的拘束内应力，焊接时焊缝对基体母材的热处理效应使应力释放，引起焊缝急剧变化区错边。而零件焊接时的背保夹具不能随焊缝的空间曲面变化，不能对焊缝进行完全保护，焊后焊缝局部区域存在氧化现象，更严重的是产生裂纹或气孔，在焊缝根部产生应力集中。
焊接裂纹是镍基高温合金异形筒体零件TIG焊中的重要缺陷，主要发生在零件的定位焊点上及零件方口、圆口端的收弧位置，这主要由三方面因素决定的：一是在定位焊结束时熄弧过快，使定位焊点收弧处产生较深的弧坑、气孔和氧化现象，若定论文导读：
位焊点清理不彻底，背面气体保护不完全，焊接时就会产生裂纹和氧化；二是在息弧过程中，若焊丝熔化的填充金属不足，在焊缝金属冷却后焊缝金属表面收缩后没有金属补充，或息弧时保护气体关闭过早，就会在弧坑处出现弧坑裂纹和氧化缺陷；三是异形筒体上、下半部零件在外力作用下强制装配定位，使零件的定位焊点存在较大内应力，在焊接时，定位焊点熔化，内应力释放，就会在零件焊缝的大应力处出现应力开裂，若焊接速度较慢，则在该处容易形成较严重的错边缺陷。结合镍基高温合金异形筒体零件的焊缝结构特点和合金材料的焊接性能，提高TIG焊的焊接质量，要从以下几个方面着手：一是焊缝坡口尺寸要均匀一致，焊前清理完彻底，确保焊接时待焊区无其他影响焊缝质量的物质存在；二是钳工配对时保证焊缝对接状态良好，去除零件成形内应力，装配定位焊时尽可能不产生内应力，减少焊缝拘束度；三是采用左向焊法焊接，焊角度与焊丝角度如图4所示，焊接时氩气可充分保护焊缝，送丝时也不会干扰气流均匀性，易观察焊缝熔池，焊透率最佳，同时可减小摆动幅度，获得宽窄均匀，成形美观的致密焊缝；四是焊接时注意清理定位焊点缺陷，控制层间温度在177℃以下，层间缺陷彻底清理后再进行第二层焊接；五是焊接过程中要注意氩气保护完全，钨极尖部和焊丝加热端必须处于保护气体中，在保证不接触零件的条件下，短弧施焊，同时应用小电流降低焊接热输入量，以能焊透为准，避免零件产生热裂纹；六是为防止焊缝端头开裂，应先从第一个定位焊点处反方向焊接一小段到零件的焊缝起始端，能防止产生端头裂纹，这是因为焊接能使焊缝起始端不至于冷却过快，让焊接熔池有足够时间完成结晶过程，焊缝两侧的拉应力也有所减缓；焊接时在息弧时逐渐降低焊接电流，填满火口避免产生息弧弧坑和裂纹等缺陷。通过采用上述措施后，异形筒体的焊接合格率高达90%以上。

2.3 焊接变形的控制

焊接变形是焊接过程中不可避免的问题。异形筒体零件在焊接过程中，焊缝结合区经历一个复杂的化学冶金和热处理冶金过程，在焊缝部位发生不均衡应力应变变化，使零件产生焊接变形。异形筒体零件焊接时，焊接热源局部加热使焊缝结合区产生以熔池为中心的、非线性移动温度场。温度场的高温区材料在焊接时膨胀量大，受周围较小膨胀量的材料的限制而不能自由膨胀，使高温区材料受挤压，产生局部压缩塑性应变；在冷却过程中，受压缩塑性应变的材料因不能自由伸张，而受到拉伸，于是零件中出现一个与焊接加热时方向大致相反的内应力场。当异形筒体零件焊缝处的温度降至室温的焊接残余应力达到或超过零件材料屈服强度时，零件就会出现失稳而产生焊接变形。而且异形筒体零件上、下半部型面复杂且不对称，坡口尺寸一致性差，导致零件焊接收缩非常复杂，在截面径向和轴向上表现显著，而且这种错综复杂的焊接收缩与变形也很难控制。
异形筒体零件的焊接变形，可通过减小焊接过程中产生的纵向塑性压应力和增大冷却阶段纵向塑性拉应力两方面进行。而实际焊接中，控制焊接变形分为焊接前、焊接过程中及焊后三个阶段。镍基高温合金异形筒体零件的焊接变形控制包含上述三个阶段：焊接前对零件上、下半部进行固溶热处理去除零件成形过程形成的内应力以及表面加工硬化，在装配定位之后和正式焊接前在焊缝变化剧烈处增加定位焊点数量控制焊接变形；在焊接过程中控制钨极尖头始终保持在焊缝中间，使焊缝两侧在焊接过程中熔池加热温度保持均匀一致，同时也要减少熄弧的次数，尽量减少焊源于：论文网站大全www.7ctime.com
缝受热不均现象，并采取分段法焊接零件，减小焊接线能量等措施；焊后控制焊接变形主要是校形，即对焊接变形超出技术规范要求的零件进行钳工修整，室温时，采用锤击法将零件变形部位校正至符合技术规范要求是比较常用的。
结语
镍基高温合金异形筒体零件因型面结构复杂，易于采用手工钨极氩弧焊（TIG）方法进行焊接加工。为保证镍基高温合金异形筒体的焊接质量，要选择合适的氩弧焊接工艺参数，做好焊前清理工作，焊接时采用小的焊接热输入量，采用左焊法进行焊接加工。在焊接过程中尤其要控制焊接裂纹的产生。焊接镍基高温合金异形筒体零件时，要在焊接前、焊接过程中和焊接后三个阶段控制焊接变形，确保零件焊接质量。
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