薄壁钣焊类零件变形控制工艺研究

燕英 孙丽燕 卢海涛

（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

国外某公司生产的XX2500燃汽轮机在国际市场中占有重要的地位，主要用于航船上。密封空气后支撑为燃汽轮机燃烧室中一个重要零件，该研制零件是转包的新一类钣金产品，此零件为高温合金薄壁焊接构件。为满足航空、航天薄壁焊接结构在制造过程中对几何型面的严格技术要求，控制高温合金在焊接过程中的变形和残余应力已成为新件研制中重点关注内容。

1 零件结构特点及技术要求

零件的结构工艺特点：该零件它由钣金件3件，机加安装边2件焊接形成，它的特点是薄壁易变形，刚性差。零件实物见图1。

技术要求：根据外方标准要求零件焊接后钣金件与机加件同轴度0.4mm，各钣金件之间的平行度垂直度变化不大于0.2mm。

尺寸要求：焊接时需对零件的变形进行控制，为车加工做好准备。钣金件固溶热处理后焊接变形径向保证φ404.87±0.25，小安装边面轮廓度保证0.2mm，整体高度需控制在75.7±0.3mm。

图1 密封空气后支撑

2 材料

图2 密封空气后支撑焊接

密封空气后支撑主体材料为Ⅰnconel 718镍铁基合金,该材料是沉淀硬化形高温合金，含AL、Ti较高，在低温和700°C以下具有高的屈服强度拉伸强度和持久强度，在650-760°C具有良好的塑性。无论在固溶状态或失效状态都具有良好的成型性和焊接性，由于此合金的线膨胀系数很大，焊接后易产生较大的焊接应力。该零件焊接部位厚度为1.27±0.076mm，属于高温合金薄壁焊接构件。

3 零件焊接工艺方案

3.1 工艺安排：考虑到如果安装边预留余量，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边壁厚不一致，而壁厚尺寸为关键尺寸，为减少后续机械加工的难度，采用局部无余量安装边进行焊接，焊接后热处理，再通过校正模具及校正夹具消除固溶热处理后焊接变形。

图3 零件焊接夹具

主要工艺程序：焊前清理-装配定位焊-焊接-焊缝清理-擦拭腐蚀-荧光检查-去应力热处理-校型-荧光检查-固溶失效热处理-钳工校正-机械加工

3.2 焊接夹具准备是零件焊接工艺准备的重要环节。此零件属于薄壁钣金焊接件，焊接时极易失稳而产生焊接变形。因此焊接夹具设计采用了集氩气保护、铜块冷却、定位胀紧的多功能结构。焊接时用刚性固定法和散热法控制焊接变形，保证零件焊接后的机械加工及错位要求，使保持很好的同心度，并采取反变形法来控制焊接变形。

4 零件焊接及存在问题的解决方案

4.1 零件焊接

选用能量比较集中的焊接方法，采用了氩弧焊机器人，定位焊后用示教法进行编程，沿圆周采20个点，固定运行轨迹，将具体焊接参数导入焊接程序中。按此参数焊接零件，经检测焊缝满足技术要求。

4.2 存在问题及解决方案

前期焊接夹具设计时充分考虑了对瞬态热变形及残余变形的控制，但对伴随的残余应力估计不足，固熔失效后发生了钣金件发生了翘曲变形，前、后安装边的平面度及平面度变化较大，超出了焊后0.3mm要求，达到了0.7mm，零件的径向、轴向尺寸都发生了收缩变形，尺寸超差。

考虑薄壁钣金件刚性相对不足，连续大电流焊接散热不均导致翘曲，另外不均匀快速加热和冷却过程必然引起焊接区发生不均衡的应力应变变化，这种不均衡的应力应变是导致焊后形成残余应力和应变的主要原因。尽管在夹具设计时采取了相应措施，焊接过程当中焊缝收缩受到焊接夹具的限制不能自由收缩，但是残余应力却无法消除，如果残余变形减少，则残余应力会增大，热处理后残余应力释放必然引起尺寸的变化。

调整单件钣金件尺寸和增加热处理夹具成本较高，为了克服由焊缝收缩引起的变形及最终固溶热处理应力释放引起的尺寸超差，现场采用机械校正法保证零件的设计尺寸和技术条件，见图四。这种“里胀外收”的结构采取了限位控制径向尺寸，最终解决了单件焊接收缩量预留不够的问题。

图4 零件限位校正图

为了保证小安装边面轮廓度0.2mm，整体高度需控制在75.7±0.3mm的要求，前期设计制造了校正夹具。在保证零件相关尺寸不变的前提下对零件的高度尺寸及小安装边局部轮廓度进行校正，有效地控制了纵向焊接、热处理变形造成的超差尺寸。

结语

焊接变形是焊接件加工中的一大难题，传统控制应力和变形方法只能减小变形或在一定程度上降低残余应力水平，所以还需采取一定的补救措施。但是固溶时效热处理后经过模具校正，钳工矫形，零件内部内应力重新产生，应力随机械加工不断释放，极易造成零件超差。增加去应力热处理希望通过随后的校正工序摸索出预收缩量、预变形量，使零件在固溶时效热处理后机械加工前既符合尺寸要求又无应力残留。

[1]邓明.冲压成型工艺及模具[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]残余应力的产生和对策[M].北京：中国工业出版社，1983.