镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制方法及工装

摘要

本发明涉及焊接技术领域，具体为一种镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制方法及其工艺装备。利用线膨胀系数相近的材料刚性限位来控制焊接变形量，采用可满足焊接时刚性支撑和控制消除焊接残余应力变形工装结构，内环与八个T形支板组件形成八卦后，增加550℃的消除应力热处理工序，减少电子束焊前内环与支板根部的残余应力。所有焊接工序完成后，增加970℃真空固溶处理加720℃和620℃双时效处理，以求彻底消除焊后残余内应力，达到使用性能。本发明解决了现有燃机无法控制疲劳裂纹及燃机的可靠性和寿命要求等问题，采用新的焊接工艺方法及工艺装备，资金投入少，操作简单，便于工程化应用。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体为一种镍基时效强化高温合金机匣焊接组件 变形控制方法及其工艺装备。

背景技术

近年来，某燃气轮机以其效率高、结构紧凑、起动快等一系列优点，逐步成 为各国除航母以外的大中型舰船的主要动力装置，在海军中得到广泛应用。燃机 装舰已成为水面舰艇现代化的主要标志之一，并将在未来舰船综合电力系统中发 挥重要作用。

针对某燃气轮机后机匣出现疲劳裂纹故障的难题，亟待控制解决。因此，研 制新的焊接工艺控制方法及工艺装备，避免疲劳裂纹，使制造水平达到高性能、 长寿命的国产舰用燃机，适合海洋环境工作有着重要意义。

如图1(a)、图1(b)所示，某燃机后机匣内环存在裂纹故障A（对应图中1号-8 号位置），主要原因是内环与“T形支板组件”氩弧焊接后存在焊接应力，电子束 焊前未予消除，加剧了内环支板根部的残余应力水平；电子束焊后构成刚性整体， 应力无法通过变形释放并集中于内环支板根部；去应力热处理和时效处理合并同 时进行，不能有效消除残余内应力。综合两方面因素，该焊接工艺无法控制疲劳 裂纹及燃机的可靠性和寿命要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制方 法及其工艺装备，解决了现有燃机无法控制疲劳裂纹及燃机的可靠性和寿命要求 等问题，采用新的焊接工艺方法及工艺装备，资金投入少，操作简单，便于工程 化应用。

本发明的技术方案是：

一种镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制工装，该工装包括：垫块、 支撑杆、底座、涨块、限位环、螺栓，具体结构如下：

支撑杆设置于内环和后机匣中段之间，支撑杆分别与后机匣中段内侧的垫块 和内环外侧的底座通过螺纹连接，用于支撑内环和后机匣中段；在燃机的内环和 后机匣中段之间通过T型支板组件连接处，内环的内侧面开设内环槽口，在内环 槽口中分别设置涨块，在内环中设置限位环，限位环与涨块通过螺栓连接。

所述的镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制工装，支撑杆为八个均 布，内环槽口为八个均布。

所述工装的镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制方法，利用线膨胀 系数相近的材料刚性限位来控制焊接变形量，采用可满足焊接时刚性支撑和控制 消除焊接残余应力变形工装结构，内环与八个T形支板组件形成八卦后，增加550 ℃的消除应力热处理工序，减少电子束焊前内环与支板根部的残余应力；所有焊 接工序完成后，增加970℃真空固溶处理加720℃和620℃双时效处理，以求彻底 消除焊后残余内应力，达到使用性能。

所述的镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制方法，为较彻底消除焊 后残余应力，增加固溶处理去应力，并采用所述工装，利用刚性限位来控制焊接 变形量，同时带工装进行消除应力处理，将焊接变形量较准确地控制在要求的范 围内。

所述的镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制方法，利用线膨胀系数 相近的工装材料刚性限位来控制焊接变形量，满足焊接和控制消除焊接残余应力 变形，具体如下：

（1）依据GH4169镍基时效强化高温合金，抗氧化能力强，热强度高的特点， 工装选用线膨胀系数相近的GH3030材料做刚性限位；

（2）将八个涨块分别装入内环的八个内环槽口内，限位环位于内环的内侧， 通过螺栓拧紧力作用下，使限位环限制八个涨块移动，起到定位和刚性支撑作用；

（3）将八个支撑杆两端的正反螺纹分别拧紧八个垫块和八个底座，控制电子 束焊接过程中后机匣中段的径向位移作用。

所述的镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制方法，后机匣焊接过程 如下：

（1）氩弧焊接内环与八个T形支板组件形成八卦后，增加消除应力热处理； 将八个涨块分别装入内环的八个内环槽口内，通过螺栓拧紧力作用下，使限位环 限制八个涨块移动，形成内环刚性支撑；同时，对焊接过程、热处理时起刚性限 位作用；

（2）将八个支撑杆两端的正反螺纹分别拧紧八个垫块和八个底座，限制后机 匣中段的径向位移；

（3）完成焊接工序后，增加真空固溶处理和双时效处理，以求彻底消除焊后 残余内应力，达到使用性能，避免疲劳裂纹产生。

所述的镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制方法，焊接变形控制措 施如下：

（1）调整焊接顺序、优化焊接参数，氩弧焊接内环与八个T形支板组件形 成八卦后，经X射线检测合格后，增加550℃±10℃、保温2.5～3小时的消除应 力热处理工序，减少电子束焊前内环与T形支板组件根部的残余应力；

（2）将内环与T形支板组件形成的八卦与后机匣安装边、后机匣中段用氩 弧焊定位后，在内环上依次装上涨块、限位环、螺栓，并在内环与后机匣中段之 间依次装上垫块、支撑杆、底座达到刚性定位，控制电子束焊接过程中的径向位 移，将部分焊接应力分解至后机匣外环焊缝处，从而减小内环与T形支板组件处 的残余应力，稳定尺寸；

（3）所有焊接工序完成后，分解垫块、支撑杆、底座达到刚性定位，保留内 环上的涨块、限位环、螺栓，入炉进行970℃±10℃、保温1小时真空固溶处理 加双时效处理，以求彻底消除焊后残余内应力，达到使用性能，避免疲劳裂纹产 生。

所述的镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制方法，双时效处理如下：

（1）在所述970℃±10℃、保温1小时真空固溶处理后充氩气冷却至80℃ 以下；然后升温720℃±10℃时效处理、保温8小时；

（2）在炉内以50℃/小时的冷却速度降温至620℃±10℃，保温8小时，随 炉冷却至室温，待零件完全冷却后卸下夹具。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明采用这种焊接工艺方法和工艺装备，利用刚性限位来控制焊接变形 量，同时采用固溶时效处理以求彻底消除焊后残余内应力，将焊接变形量较准确 地控制在要求的范围内，避免舰船动力装置工作中疲劳裂纹，以满足燃气轮机的 可靠性和长寿命要求。

2、本发明采用刚性限位方法来控制焊接变形量、消除焊接残余应力，针对舰 载燃机涡轮后机匣裂纹故障的问题，设计了新的工艺方法和工艺装备，可用于将 焊接变形量较准确地控制在要求的范围内，解决了用传统焊接工艺方法和工艺装 备无法控制疲劳裂纹的难题。

3、本发明镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制方法及工艺装备，利 用刚性限位来控制焊接变形量，同时采用固溶时效处理以求彻底消除焊后残余内 应力，将镍基时效强化高温合金焊接变形量较准确地控制在要求的范围内，避免 舰船动力装置工作中疲劳裂纹，满足转批产要求。

4、采用该发明的工艺方法及工艺装备，可加工出符合设计图纸的高质量后机 匣，满足海洋环境下抗冲击、长寿命和高可靠性的要求，每年可节约资金210万 元。

附图说明

图1(a)-图1(b)为某台燃机分解后机匣裂纹位置分布图。其中，图1(a)为图1(b) 的F-F剖视图；图1(b)的主视图。

图2(a)-图2(b)为本发明工艺装备焊接后机匣示意图。其中，图2(a)为图2(b) 的H-H剖视图；图2(b)的主视图。图中，1、垫块；2、支撑杆；3、底座；4、涨 块；5、限位环；6、螺栓；7、后机匣中段；8、T型支板组件；9内环；10内环 槽口。

具体实施方式

本发明通过某台燃机后机匣裂纹故障原因分析，后机匣在组合焊接和机械加 工过程中存在残余应力，在工作中产生疲劳裂纹。为较彻底消除焊后残余应力， 增加固溶处理去应力，并设计专用工装，利用刚性限位来控制焊接变形量，同时 带专用工艺装备进行消除应力处理，将焊接变形量较准确地控制在要求的范围内， 解决了用传统焊接工艺方法和工艺装备无法控制的疲劳裂纹的难题。

本发明工艺方法和工艺装备工作原理如下：

利用线膨胀系数相近的材料刚性限位来控制焊接变形量，采用可满足焊接时 刚性支撑和控制消除焊接残余应力变形工装结构，内环与八个T形支板组件形成 八卦后，增加550℃的消除应力热处理工序，减少电子束焊前内环与支板根部的 残余应力。所有焊接工序完成后，增加970℃真空固溶处理加720℃和620℃双时 效处理，以求彻底消除焊后残余内应力，达到使用性能。

下面通过附图和实施例进一步详述本发明。

如图2(a)-图2(b)所示，本发明镍基时效强化高温合金机匣焊接组件变形控制 方法及工艺装备，具体如下：

1、专用工装设计

利用线膨胀系数相近的材料刚性限位来控制焊接变形量，设计了可满足焊接 和控制消除焊接残余应力变形工装结构。如图2(a)-图2(b)所示，该工装包括：垫 块1、支撑杆2、底座3、涨块4、限位环5、螺栓6等，具体结构如下：支撑杆2 设置于内环9和后机匣中段7之间，支撑杆2分别与后机匣中段7内侧的垫块1 和内环9外侧的底座3通过螺纹连接，支撑杆2为八个均布，用于支撑内环9和 后机匣中段7；在燃机的内环9和后机匣中段7之间通过T型支板组件8连接处， 内环9的内侧面开设内环槽口10，内环槽口10为八个均布，在内环槽口10中分 别设置涨块4，在内环9中设置限位环5，限位环5与涨块4通过螺栓6连接。

（1）依据GH4169镍基时效强化高温合金，抗氧化能力强，热强度高的特点， 选用线膨胀系数相近的GH3030材料做刚性限位。

（2）将八个涨块4分别装入内环9的八个内环槽口10内，限位环5位于内 环9的内侧，通过螺栓6拧紧力作用下，使限位环5限制八个涨块4移动，起到 定位和刚性支撑作用。同时，对焊接过程及固溶处理加双时效处理时的应力变形 起到刚性限位作用。

（3）将八个支撑杆2两端的正反螺纹分别拧紧八个垫块1和八个底座3，控 制电子束焊接过程中后机匣中段7的径向位移作用。

2、焊接变形控制措施

燃机的后机匣由锻件、钣金件、铸件用34条焊缝连接而成，如图2(a)-图2(b) 所示，由于不同状态零件一起焊接，在焊接区产生收缩变形，变形应力较大。通 过专用工装、调整焊接顺序、优化焊接参数、消除焊接应力等措施，有效控制了 焊接变形量。

（1）调整焊接顺序、优化焊接参数，氩弧焊接内环9与八个T形支板组件7 形成八卦后，经X射线检测合格后，增加550℃±10℃、保温2.5～3小时的消除 应力热处理工序，减少电子束焊前内环9与T形支板组件7根部的残余应力。

（2）将内环9与T形支板组件7形成的八卦与后机匣安装边、后机匣中段7 用氩弧焊定位后，在内环9上依次装上涨块4、限位环5、螺栓6，并在内环9与 后机匣中段7之间依次装上垫块1、支撑杆2、底座3达到刚性定位，控制电子束 焊接过程中的径向位移，将部分焊接应力分解至后机匣外环焊缝处，从而减小内 环9与T形支板组件7处的残余应力，稳定尺寸。

（3）所有焊接工序完成后，分解垫块1、支撑杆2、底座3达到刚性定位， 保留内环9上的涨块4、限位环5、螺栓6，入炉进行970℃±10℃、保温1小时 的真空固溶处理，充氩气冷却至80℃以下。然后，升温720℃±10℃时效处理， 保温8小时，并在炉内以50℃/小时的冷却速度降温至620℃±10℃，保温8小时， 随炉冷却至室温，待零件完全冷却后卸下夹具。以求彻底消除焊后残余内应力， 达到使用性能，避免疲劳裂纹产生。

如图2(a)-图2(b)所示，本发明后机匣具体焊接过程如下：

本发明通过调整焊接顺序、优化焊接参数，氩弧焊接内环与八个T形支板组 件7形成八卦后，增加消除应力热处理。将八个涨块4分别装入内环9的八个内 环槽口10内，通过螺栓6拧紧力作用下，使限位环5限制八个涨块4移动，形成 内环刚性支撑。同时，对焊接过程、热处理时起刚性限位作用。

再将八个支撑杆2两端的正反螺纹分别拧紧八个垫块1和八个底座3，限制 后机匣中段7的径向位移。

完成焊接工序后，增加真空固溶处理和双时效处理，以求彻底消除焊后残余 内应力，达到使用性能，避免疲劳裂纹产生。

实施例结果表明，本发明采用这种焊接工艺方法和工艺装备，利用刚性限位 来控制焊接变形量，同时采用固溶时效处理以求彻底消除焊后残余内应力，将焊 接变形量较准确地控制在要求的范围内，避免舰船动力装置工作中疲劳裂纹，以 满足燃气轮机的可靠性和长寿命要求。