无余量高压机匣安装座焊接的研究

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摘要：本文介绍了美国GE航空公司GE90涡扇发动机安装座焊接加工技术，着重论述了焊接夹具设计制造,焊接参数选择,防止焊接变形和热处理变形措施等。

关键词：焊接夹具；焊接参数；热处理夹具

中图分类号：U665.12 文献标识码：A

GE90航空发动机是美国通用电气公司研制的高涵道比商用超大推力涡扇发动机。高压涡轮静子机匣是GE90发动机的一个机匣安装座焊接组合件，图纸对焊接质量和尺寸有严格的要求，因此如何控制焊接质量，保证设计尺寸和技术条件是完成焊接工作的重点内容。

1零件的结构特点及要求

零件的结构为分别在8个机匣外壁的小孔上氩弧焊焊接8个安装座,零件实物见图1。

技术要求：零件焊接后安装座位置度0.76mm和槽口垂直度2.0mm。

尺寸要求:安装座端面到机匣中心的距离601.218±0.76mm；安装座热处理焊接变形后直径56.97min。

焊接质量要求: 焊缝100%焊透、100%熔合;焊缝错边不大于0.5 mm；焊缝正反面余高不大于0.76 mm;焊后进行荧光检查焊道表面，应无裂纹线性显示等缺陷。

图1 高压涡轮静子机匣

图2夹具与零件装配示意图

2 材料

机匣与安装座的材料均为为镍基高温合金，机匣材料 Rene41是沉淀硬化形镍基变形高温合金，含 Al、Ti较高，在650℃-980℃范围内具有较高的强度和较好的抗氧化性能；安装座材料Inconel625是以Mo，Nb为主要强化元素的固溶强化镍基变形高温合金，具有较高的抗氧化性，抗腐蚀性。两者均具有较好的焊接性能。焊丝材料为设计图规定的AMS5837,成分与Inconel625基本一致,化学成分见表1。

3 零件焊接工艺方案

3.1 工艺安排

考虑到如果安装座预留余量，组合焊接及热处理后零件的变形，会使后续的机械加工的安装座壁薄厚不一致，而且工艺路线安排极其困难，加工成本极高；故采用无余量安装座进行焊接，焊接后进行热处理，校正安装座变形等工序保证设计要求。

焊接安装座主要工艺顺序：焊前清理装配定位焊焊接清理焊缝擦拭腐蚀荧光检查 补焊真空时效热处理（如果安装座位置度有变化可通过热校型后进行2次真空时效热处理）手工校正安装座圆度。

3.2焊接设备

手工氩弧焊机林肯TIG355为交直流方波氩弧焊机，特点及用途: 输出焊接电流范围2A-400A，交、直流两用，可高频起弧、收弧衰减，预通氩气及延迟通气，稳弧性能好，可焊接薄、中、厚多种板材。

焊接变位器可两轴旋转：水平翻转和垂直旋转。

3.3 焊接夹具

根据设计图的要求、零件的具体形状和焊接工艺特点夹具应能保证安装座的焊后位置度和垂直度，焊接错边，正反面成形良好，正反面氩气保护良好并限制安装座直径变形。由于安装座位置度的定位基准为机匣单个凸台的底孔，与8处机匣凸台孔整置无关，只相当于每个安装座圆口与机匣凸台底孔的同轴度，夹具可制造成8个同样的夹具，各自组装。零件焊缝焊透后，背面有一定的余高，为不影响夹具的取下，夹具设计应为分体式结构（见图2），焊接完成后分别从机匣两侧取出夹具。

3.4 焊接参数选择及工艺评定确定的焊接参数如下：

焊丝牌号和直径：AMS5837 ф1.2 mm

钨极牌号:WCe20 ф3.0mm

保护气体:氩气，纯度:99.995%

焊枪氩气流量:8-12L/min背面氩气流量:1-

焊接电流:70Amax 电源极性: 直流 正接

焊接位置:平焊和横焊

4 焊接存在的问题及解决方案

从零件的图3看出焊缝的接头形式大部分为对接V型坡口，由于两侧各有一角型台阶,故形成了两处下部为单面V型坡口，上部为角焊缝的接头形式；除角部外，焊接部位壁厚度1.91mm(机匣)和1.71mm（安装座），角部突出部位高度约2mm。利用模拟机匣的进行了焊接试验加工，包括焊枪的角度调整，焊接方向的选择，焊缝可达部位的最佳选择以及在焊接变位器上如何正确调整焊接位置。我们将机匣固定在焊接变位器的转盘上，这样机匣就可以在转盘上水平、倾斜或垂直旋转，使焊工能够轻松的选择焊接最佳角度与位置，经过对此机匣的焊接，发现有如下焊接问题：

图3零件焊接部位模型图

A．安装座角部不易焊透的问题，角部焊缝的突出部位局部角焊缝表面有氧化现象。

B．焊接收缩量的控制和焊接位置度的控制。

C.焊接后安装座圆口的直径变形问题。

解决方案

针对上述问题，我们采取了一些措施：

A．未焊透的现象我们认为主要原因是角部突出部位厚度比其他位置大；焊接速度快；焊枪与焊道角度不垂直，导致熔深不够；整体机匣比模拟件导热快。为此我们在焊接时适当调整焊枪角度，降低焊接速度，加大焊接电流。采用上坡焊，避免下坡焊。

氧化现象主要原因是角部突出部位的侧面挡住了焊枪喷嘴，使氩气不能直接吹到焊缝熔池表面。通过调整焊枪角度和改变焊接方向，局部由左焊法改为右焊法。

B．焊接收缩量根据零件的尺寸要求焊后安装座端面到机匣中心601.218±0.76mm，预留机匣凸台端面到机匣中心553.09±0.1mm，安装座高度49.02±0.05 mm，定位焊后尺寸为602.11±0.15mm。焊接收缩量最小0.5 mm，焊后可符合尺寸要求。安装座圆口位置度通过夹具的控制，热处理后的位置度变形通过热校型控制。零件经时效热处理后安装座位置度有所变化，根据圆口的偏摆方向（沿圆周角向偏移或轴向偏移），确定采用局部加热的热矫形法对零件进行返修，使用氩弧焊电弧作热源，对局部焊道进行加热，使其收缩产生反向变形。

C.安装座圆口的直径焊前尺寸为57.15±0.05 mm，焊后及热处理后要求直径为最小56.97mm，见图3，如果不加以控制尺寸无法保证。未安装防变形夹具热处理后尺寸，圆度为1.0mm。为此我们设计了安装座防变形热处理夹具，形状为一个圆柱片，厚度9mm，夹具材料与安装座一致为Inconel 625，热处理时装入圆口内，撑紧圆口并随零件入炉，放入矫形夹具进行热处理后多数安装座取下夹具不用校正圆口尺寸就合格，个别安装座直径最小为56.8mm，最大为57.2 mm，经过手工校正后很容易满足了尺寸要求56.97mm，校正时采用左旋和右旋螺栓的胀力将圆口撑圆。

结论

焊接变形是焊接件加工中的一大难题，通过对机匣无余量安装座焊接研究使我们积累了安装座焊接经验。