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燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)高壓真空電子束焊接方法

文檔序號:3397835閱讀:317來源:國知局
專利名稱:燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)高壓真空電子束焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于燃機(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)的高壓真空電子束焊接(簡稱EBW)技術(shù)方法,適用于因結(jié)構(gòu)原因在焊接制造中存在的焊接變形和焊縫質(zhì)量問題,特別是燃機(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)具有以下特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單,尺寸大,整體剛性較差,尺寸精度要求高,零件清潔度要求高,裝配間隙要求嚴(yán)格,焊縫數(shù)量多,焊接量大,焊接過程中容易產(chǎn)生較大的焊接變形和裂紋。
背景技術(shù)
目前,在燃機(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)的焊接生產(chǎn)在國內(nèi)尚無先例,國外一般采用中壓真空電子束焊接,對我國進(jìn)行技術(shù)保密,因此,進(jìn)行焊接變形和焊接質(zhì)量控制存在以下的難點(diǎn)如何將葉片連接成環(huán),使靜葉環(huán)在裝配過程中的變形最小;電子束焊接時必然產(chǎn)生直徑方向的焊接收縮變形,但預(yù)放收縮余量的多少和焊接順序很難精確控制;由于產(chǎn)品為圓環(huán)結(jié)構(gòu),徑向剛性強(qiáng),焊接時容易產(chǎn)生裂紋;針對靜葉環(huán)材料的真空電子束焊接參數(shù)很難確定,尤其是關(guān)鍵參數(shù)對焊接變形和焊接裂紋影響很大;電子束焊接后的熱處理也容易產(chǎn)生變形,如何控制等等。由于過去沒有電子束焊接設(shè)備和相關(guān)技術(shù),導(dǎo)致在燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件的焊接制造技術(shù)難有突破,制約著我國燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述的技術(shù)難點(diǎn),通過對焊接變形和焊接質(zhì)量分析,通過大量的焊接試驗(yàn),研究發(fā)明出一種切實(shí)可行的控制焊接變形和焊縫質(zhì)量的方法。其技術(shù)解決方案是包括采用高壓真空電子束焊機(jī)及其焊接工藝參數(shù),其方法是
1.在葉片加工時零件預(yù)留焊接收縮余量+0.9-+2.9mm;并設(shè)計專用裝配工裝、確保產(chǎn)品直徑按要求放大;2.葉片裝配時將裝配面間隙控制到0.05mm以內(nèi),局部最大間隙不超過0.10mm;3.采用手工TIG進(jìn)行定位焊接,機(jī)器人TIG焊進(jìn)行加固焊接,以最大限度減少焊接變形;4.電子束焊接前對工件進(jìn)行退磁處理,剩磁控制在5高斯以下;5.電子束焊接前對氣道用銅板保護(hù),同時起到傳熱降溫作用;6.采用合理的焊接順序和焊接速度,防止焊縫過熱產(chǎn)生高溫裂紋,防止焊縫冷卻速度過快產(chǎn)生冷裂紋;7.焊接后對產(chǎn)品進(jìn)行校圓,并分段焊接在剛性底板上,然后連同剛性底板一起進(jìn)行去應(yīng)力熱處理。
所述最佳焊接工藝參數(shù)是加速電壓150kV,電子束流30-90mA,焊接速度2.0-5.0mm/s。
所述合理的焊接順序是先焊入口側(cè),后焊出口側(cè),總的順序按A、B、C、D、E……進(jìn)行。
所述去應(yīng)力熱處理是在爐內(nèi)按溫度645-695℃,保溫4--6小時,降溫至260℃以下出爐。
本發(fā)明采用的高壓真空電子束焊機(jī),功率為30kW,最大加速電壓為150kV。與中壓真空電子束焊機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)加速電壓高(中壓一般為60-80kV,高壓一般為100-150kV),電子束聚焦能力強(qiáng),在很寬的范圍內(nèi)高功率密度變化不大,所以工作距離長;在相同功率情況下,高壓電子束焊接所需要的束流小,易于獲得直徑小、功率密度大的束斑和深寬比大的焊縫,這對大厚度板材的單道焊及難熔金屬和熱敏感性強(qiáng)的材料的焊接,特別適宜;在焊接同樣焊縫情況下,高壓電子束焊接所需要功率較小,焊縫成形美觀;高壓電子束易受雜散電磁場的干擾較中壓小。
本發(fā)明采用了上述控制焊接變形及焊縫質(zhì)量技術(shù)措施,克服了結(jié)構(gòu)尺寸大,整體剛性差,焊接量大,焊接變形大,裝配精度高等技術(shù)難點(diǎn);有效地控制了燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)的焊接變形和焊縫質(zhì)量,達(dá)到設(shè)計尺寸要求,同時也大大縮短了生產(chǎn)周期、降低了勞動成本、提高了生產(chǎn)效率。


圖1是橫向收縮的形成和焊接內(nèi)收縮應(yīng)力示意圖。
圖2是電子束焊與氣保焊的焊接變形對比圖。
圖3是裝焊件焊接后焊縫縱向收縮變形示意圖。
圖4是裝焊件焊接后焊縫橫向收縮變形示意圖。
圖5是裝焊件焊接后焊縫角變形示意圖。
圖6是電子束焊直徑預(yù)放收縮量曲線圖。
圖7是加固焊接示意圖。
圖8是電子束焊焊接順序示意圖。
具體實(shí)施例方式
參照圖1-圖6,焊接變形及裂紋分析本產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)簡單,但剛性差、尺寸大,焊接變形是主要問題。必須從預(yù)放焊接收縮量、加強(qiáng)剛性固定、合理選擇焊接規(guī)范以及選擇合理的裝配焊接順序幾個方面來控制變形。首先是焊接應(yīng)力對變形的影響,應(yīng)力產(chǎn)生于焊接發(fā)生的加熱和冷卻期間,內(nèi)部焊接應(yīng)力是指冷卻到室溫后那些保留在部件焊接處的應(yīng)力。焊接應(yīng)力或內(nèi)部焊接應(yīng)力可導(dǎo)致各種裂紋(熱裂、收縮裂紋等)的形成,這也是部件產(chǎn)生變形的主要原因。圖1是橫向收縮的形成和焊接內(nèi)收縮應(yīng)力示意圖,圖中a)表示焊接前,b)表示焊接中的膨脹,c)表示自由收縮,d)表示被阻止收縮。圖2表示與常規(guī)焊接方法相比,采用電子焊的工件具有變形量很小的優(yōu)點(diǎn)。盡管如此,仍需要能夠預(yù)測這種變形的數(shù)量和方向。以便在實(shí)際焊接中產(chǎn)品尺寸能夠滿足設(shè)計要求。圖3、圖4、圖5分別代表了縱向、橫向收縮變形和角變形,所述角變形是焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生的角位移。圖6代表預(yù)放焊接收縮量分析,對接接頭縱向收縮量ΔL=K1·K2·FH·LF(mm)]]>式中 FH——單道焊縫截面積mm2
F——構(gòu)件截面積mm2ΔL——縱向收縮量mmL——構(gòu)件長度mmK1——系數(shù),對電子束焊K1=0.03;K2---單層焊的縱向收縮系數(shù)K2=1.49根據(jù)上述縱向收縮量公式,代入實(shí)際產(chǎn)品(以靜葉環(huán)為例)并換算成直徑收縮量,得出的數(shù)據(jù)繪成的曲線圖。電子束焊接后若不進(jìn)行熱處理,直徑預(yù)留應(yīng)+1.4--+3.7mm收縮余量。但實(shí)際上為了去除焊接應(yīng)力,需要進(jìn)行去應(yīng)力熱處理,而熱處理后由于焊接應(yīng)力松弛,直徑有一定程度長大,故實(shí)際直徑收縮余量應(yīng)扣除熱處理后直徑長大量,預(yù)放量修正后為+0.9--+2.9mm。焊接裂紋分析由于焊接應(yīng)力或內(nèi)部焊接應(yīng)力可導(dǎo)致各種裂紋(熱裂、收縮裂紋等)的形成,電子束焊接時,熱輸入雖小,但很集中。在焊接環(huán)形產(chǎn)品、如壓氣機(jī)靜葉環(huán)時,焊接過程中產(chǎn)生的熱膨脹可以使直徑變大,冷卻過程中受熱的導(dǎo)葉收縮,這兩方面的作用導(dǎo)致葉片冠與冠之間產(chǎn)生0.5-1mm 間隙,另一方面,靜葉環(huán)葉片材料為12%Cr型馬氏耐熱鋼,焊接速度過快將會產(chǎn)生冷裂紋,過慢又將會出現(xiàn)高溫裂紋傾向。
通過以上對焊接變形分析,不難看出由于工件直徑大,軸向剛性強(qiáng),材料的焊接性差,焊接和熱處理均有可能產(chǎn)生較大的變形(如不圓、不平)。因此,工藝方案應(yīng)充分考慮防止變形的措施,主要采取了以下幾方面的控制措施一.焊接變形控制(1)在直徑上預(yù)放收縮余量;(2)對結(jié)構(gòu)剛性差的部位,采用工藝焊縫進(jìn)行加固,見圖7中內(nèi)外圓面上的長條形焊縫;(3)合理地選擇焊接規(guī)范,采用真空電子焊方法,可以有效地減小焊接變形,采用大量的焊接試驗(yàn),摸索出在150KV加速電壓下的最佳焊接工藝參數(shù)電子束流30-90mA,焊接速度2.0-5.0mm/s。產(chǎn)品焊接時嚴(yán)格按照試驗(yàn)確定的最佳參數(shù)進(jìn)行焊接;
(4)選擇合理的焊接順序,由于焊縫數(shù)量多,收縮量大,徑向剛性拘束強(qiáng),其焊接變形和裂紋受焊接順序影響很大,通過模擬產(chǎn)品的焊接試驗(yàn),得出了最佳的焊接順序,如圖8所示,先焊入口側(cè),后焊出口側(cè),總的順序按A、B、C、D、E……進(jìn)行;(5)焊接后去應(yīng)力退火前進(jìn)行矯正,并用工藝焊縫固定在熱處理胎具上;(6)焊后整體去應(yīng)力退火。
二.焊接裂紋控制(1)高溫裂紋控制焊接過程中在焊縫中心出現(xiàn)縱向裂紋,主要是由焊接高溫停留時間太長、焊縫中低熔點(diǎn)共晶雜質(zhì)含量過多和焊接拘束應(yīng)力造成。在控制了材料雜質(zhì)含量的基礎(chǔ)上,主要控制焊接速度(不低于2.0mm/s)和焊接順序來降低高溫停留時間,改善焊接拘束應(yīng)力狀態(tài)。
(2)冷裂紋控制冷裂紋與焊縫中氫含量過高、接頭淬硬傾向大和焊接拘束應(yīng)力大有關(guān),一般在焊后延遲一段時間出現(xiàn),故又稱延遲裂紋。主要控制措施控制母材含氫量(小于100ppm);焊接前采用電子束散焦預(yù)熱,采用二倍于正式焊接的速度,降低接頭的拘束應(yīng)力;控制正式焊的焊接速度(不高于5.0mm/s);焊后在真空室內(nèi)保溫一段時間(不低于20分鐘);48小時內(nèi)進(jìn)行去應(yīng)力熱處理。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)高壓真空電子束焊接的方法,包括采用高壓真空電子束焊機(jī)及其焊接工藝參數(shù),其方法是在葉片加工時零件預(yù)留焊接收縮余量+0.9--+2.9mm;并設(shè)計專用裝配工裝、確保產(chǎn)品直徑按要求放大;葉片裝配時將裝配面間隙控制到0.05mm以內(nèi),局部最大間隙不超過0.10mm;采用手工TIG進(jìn)行定位焊接,機(jī)器人TIG焊進(jìn)行加固焊接,以最大限度減少焊接變形;電子束焊接前對工件進(jìn)行退磁處理,剩磁控制在5高斯以下;電子束焊接前對氣道用銅板保護(hù),同時起到傳熱降溫作用;采用合理的焊接順序,防止焊縫過熱產(chǎn)生高溫裂紋,防止焊縫冷卻過快產(chǎn)生冷裂紋;焊接后對產(chǎn)品進(jìn)行校圓,并分段焊接在剛性底板上,然后連同剛性底板一起進(jìn)行去應(yīng)力熱處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)高壓真空電子束焊接的方法,是在150kV加速電壓下的最佳焊接工藝參數(shù)是電子束流30-90mA,焊接速度2.0-5.0mm/s。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)高壓真空電子束焊接的方法,所述合理的焊接順序是先焊入口側(cè),后焊出口側(cè),總的順序按A、B、C、D、E......進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)高壓真空電子束焊接的方法,所述去應(yīng)力熱處理是在爐內(nèi)按溫度645-695℃,保溫4-6小時,降溫至260℃以下出爐。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)高壓真空電子束焊接的方法。采用高壓真空電子束焊機(jī)及在150kV加速電壓下的最佳焊接工藝參數(shù)及合理的焊接順序,控制靜葉環(huán)焊接變形及焊縫質(zhì)量??朔私Y(jié)構(gòu)尺寸大,整體剛性差,焊接量大,焊接變形大,裝配精度高等技術(shù)難點(diǎn),有效地控制了燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)靜葉環(huán)的焊接變形和焊縫質(zhì)量問題,達(dá)到設(shè)計尺寸要求,同時也大大縮短了生產(chǎn)周期、降低了勞動成本、提高了生產(chǎn)效率。
文檔編號C21D1/30GK1792534SQ200510022448
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者張從平, 楊冬, 劉貽興, 舒學(xué)芳, 梁鋼, 黃勇, 蔡良貴, 石美道, 夏召芳, 張國榮, 鄭春紅 申請人:東方汽輪機(jī)廠
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