專利名稱：燃氣輪機壓氣機靜葉環高壓真空電子束焊接方法
技術領域：
本發明屬于燃機壓氣機靜葉環的高壓真空電子束焊接(簡稱EBW)技術方法，適用于因結構原因在焊接制造中存在的焊接變形和焊縫質量問題，特別是燃機壓氣機靜葉環具有以下特點結構簡單，尺寸大，整體剛性較差，尺寸精度要求高，零件清潔度要求高，裝配間隙要求嚴格，焊縫數量多，焊接量大，焊接過程中容易產生較大的焊接變形和裂紋。
背景技術：
目前，在燃機壓氣機靜葉環的焊接生產在國內尚無先例，國外一般采用中壓真空電子束焊接，對我國進行技術保密，因此，進行焊接變形和焊接質量控制存在以下的難點如何將葉片連接成環，使靜葉環在裝配過程中的變形最小；電子束焊接時必然產生直徑方向的焊接收縮變形，但預放收縮余量的多少和焊接順序很難精確控制；由于產品為圓環結構，徑向剛性強，焊接時容易產生裂紋；針對靜葉環材料的真空電子束焊接參數很難確定，尤其是關鍵參數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生變形，如何控制等等。由于過去沒有電子束焊接設備和相關技術，導致在燃氣輪機關鍵部件的焊接制造技術難有突破，制約著我國燃氣輪機制造技術的發展。
發明內容
本發明的目的是針對上述的技術難點，通過對焊接變形和焊接質量分析，通過大量的焊接試驗，研究發明出一種切實可行的控制焊接變形和焊縫質量的方法。其技術解決方案是包括采用高壓真空電子束焊機及其焊接工藝參數，其方法是
1.在葉片加工時零件預留焊接收縮余量+0.9-+2.9mm；并設計專用裝配工裝、確保產品直徑按要求放大；2.葉片裝配時將裝配面間隙控制到0.05mm以內，局部最大間隙不超過0.10mm；3.采用手工TIG進行定位焊接，機器人TIG焊進行加固焊接，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，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，防止焊縫過熱產生高溫裂紋，防止焊縫冷卻速度過快產生冷裂紋；7.焊接后對產品進行校圓，并分段焊接在剛性底板上，然后連同剛性底板一起進行去應力熱處理。
所述最佳焊接工藝參數是加速電壓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，后焊出口側，總的順序按A、B、C、D、E……進行。
所述去應力熱處理是在爐內按溫度645-695℃，保溫4--6小時，降溫至260℃以下出爐。
本發明采用的高壓真空電子束焊機，功率為30kW，最大加速電壓為150kV。與中壓真空電子束焊機相比具有以下優點加速電壓高(中壓一般為60-80kV，高壓一般為100-150kV)，電子束聚焦能力強，在很寬的范圍內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。
本發明采用了上述控制焊接變形及焊縫質量技術措施，克服了結構尺寸大，整體剛性差，焊接量大，焊接變形大，裝配精度高等技術難點；有效地控制了燃氣輪機壓氣機靜葉環的焊接變形和焊縫質量，達到設計尺寸要求，同時也大大縮短了生產周期、降低了勞動成本、提高了生產效率。
圖1是橫向收縮的形成和焊接內收縮應力示意圖。
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。
具體實施例方式
參照圖1-圖6，焊接變形及裂紋分析本產品整體結構簡單，但剛性差、尺寸大，焊接變形是主要問題。必須從預放焊接收縮量、加強剛性固定、合理選擇焊接規范以及選擇合理的裝配焊接順序幾個方面來控制變形。首先是焊接應力對變形的影響，應力產生于焊接發生的加熱和冷卻期間，內部焊接應力是指冷卻到室溫后那些保留在部件焊接處的應力。焊接應力或內部焊接應力可導致各種裂紋(熱裂、收縮裂紋等)的形成，這也是部件產生變形的主要原因。圖1是橫向收縮的形成和焊接內收縮應力示意圖，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表示與常規焊接方法相比，采用電子焊的工件具有變形量很小的優點。盡管如此，仍需要能夠預測這種變形的數量和方向。以便在實際焊接中產品尺寸能夠滿足設計要求。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件的平面圍繞焊縫產生的角位移。圖6代表預放焊接收縮量分析，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——構件截面積mm2ΔL——縱向收縮量mmL——構件長度mmK1——系數，對電子束焊K1＝0.03；K2---單層焊的縱向收縮系數K2＝1.49根據上述縱向收縮量公式，代入實際產品(以靜葉環為例)并換算成直徑收縮量，得出的數據繪成的曲線圖。電子束焊接后若不進行熱處理，直徑預留應+1.4--+3.7mm收縮余量。但實際上為了去除焊接應力，需要進行去應力熱處理，而熱處理后由于焊接應力松弛，直徑有一定程度長大，故實際直徑收縮余量應扣除熱處理后直徑長大量，預放量修正后為+0.9--+2.9mm。焊接裂紋分析由于焊接應力或內部焊接應力可導致各種裂紋(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。在焊接環形產品、如壓氣機靜葉環時，焊接過程中產生的熱膨脹可以使直徑變大，冷卻過程中受熱的導葉收縮，這兩方面的作用導致葉片冠與冠之間產生0.5-1mm 間隙，另一方面，靜葉環葉片材料為12％Cr型馬氏耐熱鋼，焊接速度過快將會產生冷裂紋，過慢又將會出現高溫裂紋傾向。
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，材料的焊接性差，焊接和熱處理均有可能產生較大的變形(如不圓、不平)。因此，工藝方案應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)在直徑上預放收縮余量；(2)對結構剛性差的部位，采用工藝焊縫進行加固，見圖7中內外圓面上的長條形焊縫；(3)合理地選擇焊接規范，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，摸索出在150KV加速電壓下的最佳焊接工藝參數電子束流30-90mA，焊接速度2.0-5.0mm/s。產品焊接時嚴格按照試驗確定的最佳參數進行焊接；
(4)選擇合理的焊接順序，由于焊縫數量多，收縮量大，徑向剛性拘束強，其焊接變形和裂紋受焊接順序影響很大，通過模擬產品的焊接試驗，得出了最佳的焊接順序，如圖8所示，先焊入口側，后焊出口側，總的順序按A、B、C、D、E……進行；(5)焊接后去應力退火前進行矯正，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縱向裂紋，主要是由焊接高溫停留時間太長、焊縫中低熔點共晶雜質含量過多和焊接拘束應力造成。在控制了材料雜質含量的基礎上，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，改善焊接拘束應力狀態。
(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力大有關，一般在焊后延遲一段時間出現，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熱，采用二倍于正式焊接的速度，降低接頭的拘束應力；控制正式焊的焊接速度(不高于5.0mm/s)；焊后在真空室內保溫一段時間(不低于20分鐘)；48小時內進行去應力熱處理。
權利要求
1.一種燃氣輪機壓氣機靜葉環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及其焊接工藝參數，其方法是在葉片加工時零件預留焊接收縮余量+0.9--+2.9mm；并設計專用裝配工裝、確保產品直徑按要求放大；葉片裝配時將裝配面間隙控制到0.05mm以內，局部最大間隙不超過0.10mm；采用手工TIG進行定位焊接，機器人TIG焊進行加固焊接，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，同時起到傳熱降溫作用；采用合理的焊接順序，防止焊縫過熱產生高溫裂紋，防止焊縫冷卻過快產生冷裂紋；焊接后對產品進行校圓，并分段焊接在剛性底板上，然后連同剛性底板一起進行去應力熱處理。
2.根據權利要求1所述的燃氣輪機壓氣機靜葉環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是電子束流30-90mA，焊接速度2.0-5.0mm/s。
3.根據權利要求1所述的燃氣輪機壓氣機靜葉環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，后焊出口側，總的順序按A、B、C、D、E......進行。
4.根據權利要求1所述的燃氣輪機壓氣機靜葉環高壓真空電子束焊接的方法，所述去應力熱處理是在爐內按溫度645-695℃，保溫4-6小時，降溫至260℃以下出爐。
全文摘要
本發明公開了一種燃氣輪機壓氣機靜葉環高壓真空電子束焊接的方法。采用高壓真空電子束焊機及在150kV加速電壓下的最佳焊接工藝參數及合理的焊接順序，控制靜葉環焊接變形及焊縫質量。克服了結構尺寸大，整體剛性差，焊接量大，焊接變形大，裝配精度高等技術難點，有效地控制了燃氣輪機壓氣機靜葉環的焊接變形和焊縫質量問題，達到設計尺寸要求，同時也大大縮短了生產周期、降低了勞動成本、提高了生產效率。
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 優先權日2005年12月29日
發明者張從平, 楊冬, 劉貽興, 舒學芳, 梁鋼, 黃勇, 蔡良貴, 石美道, 夏召芳, 張國榮, 鄭春紅 申請人:東方汽輪機廠