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