火焰筒衬套组件焊接变形分析与控制

齐跃举

摘 要：航空发动机结构复杂、精度要求高、制造难度大，是一个国家工业制造水平的最高体现。在航空发动机的众多组件中火焰筒多采用的是薄板型材或是冲压件焊接而成，由于火焰筒属于大型薄壁件焊接过程中所产生的高温容易造成火焰筒薄壁件产生温度应力，温度应力的存在会导致火焰筒出现变形而影响火焰筒的焊接质量。本文在分析火焰筒焊接过程中变形规律的基础上对如何采取有效的措施控制火焰筒的焊接变形进行了分析阐述。

关键词：火焰筒衬套组件；焊接；变形；控制

中图分类号：TK478 文献标志码：A

火焰筒是航空发动机中重要的组成部分，火焰筒为环形薄壁件其焊接变形的控制难度要远远高于普通平板型材的对接焊接，尤其是对于火焰筒所使用的镍基耐热合金、钴基耐热合金等材料其焊接难度更大，其在焊接中所产生的变形量更大也更不可控，为确保火焰筒具有良好的使用质量，需要对于火焰筒衬套组件的焊接质量进行更加严格的把控。在火焰筒焊接过程中找出火焰筒焊接变形的特点与规律并采取相应的措施来控制火焰筒焊接变形对火焰筒焊接质量的影响。

1 火焰筒焊接变形特点与影响因素

火焰筒所使用的耐热合金具有较好的耐热性且焊接变形较大难以控制。火焰筒衬套组件是由3类高温合金所构成的环状组焊结构，其包括对接、角接等多种焊缝，焊接工程量大且复杂。火焰筒衬套组件焊接中所产生的焊接热将加大火焰筒衬套组件内的热应力，热应力的存在导致火焰筒衬套组件冷却过程中发生变形。焊接变形直接影响火焰筒衬套组件的使用质量和使用寿命，需要采取相应的处理措施来予以处理。

某型火焰筒衬套组件由4组焊接元件所组成：外环（HASTX材料）、马鞍（HASTX材料）、内环（N263材料）、耳片（FSX-414材料）。外环和内环所使用的HASTX材料属于镍基高温合金其在氧化和腐蚀方面有着良好的抗性，且具有较为良好的冷热焊接性。内环所使用的N263材料为镍、钴、铝、钛等元素所组成的高温合金，其具有良好的高温成形性和焊接性。在火焰筒衬套组件焊接时选用氩气保护焊并经过试验确定焊接过程中选用100A的焊接电流和12L/min氩气这一焊接参数能够获得良好的焊接效果。

在对火焰筒衬套组件中的马鞍组件进行焊接时采用对称焊用以抵消减小焊接应力，焊接采用3次满焊工艺，第一次不使用焊丝焊接马鞍角焊缝根部，第二次焊接至一半的厚度，最后一次焊满并在后期处理时降低焊接电流以提高焊缝的平整性。马鞍与外环之间的组焊采用氩弧塞焊焊接方式，并辅助以对称焊减小焊接应力。通过对火焰筒衬套组件焊接过程的各部进行测量，观测到火焰筒衬套组件焊接后的筒体在纵向产生了收缩变形和角变形。

在实际焊接中火焰筒衬套组件马鞍与内环接触焊接处产生内凹陷，这一凹陷无法采用液压机胀形法进行消除致使火焰筒衬套组件焊接后的精度超差。火焰筒衬套组件中的耳片与外环焊接后将会在热应力的作用下产生收缩变形和角变形致使焊接处产生内塌陷。耳片焊接处所会产生的塌陷变形表现为挠曲变形，造成这一变形的根本原因在于火焰筒衬套组件中耳片焊接后在焊缝方向因不同厚度而造成角变形偏差，并最终导致耳片平面产生偏转。在火焰筒衬套组件焊接中焊接变形较为严重的主要有内环与马鞍、马鞍与外环、外环与耳片3组不同位置的变形，且焊接变形幅度较大，严重的甚至能够达到1.5mm左右，大幅超出设计焊接精度。如采用后期矫正方式来消除火焰筒衬套组件焊接中所产生的焊接变形，耗时耗力且成本较高。

总体来说火焰筒衬套组件焊接过程中内环与马鞍焊接处主要为横向收缩变形、外环与耳片焊接处主要为纵向焊接变形，各处所产生的焊接变形幅度较大严重影响火焰筒衬套组件的使用质量。通过对火焰筒衬套组件焊接过程中的变形情况进行建模分析表明温度梯度过大将会致使焊缝周边产生大数值的残余塑性应变，残余塑性应变的存在将破坏火焰筒衬套组件结构的协调性并最终导致火焰筒衬套组件产生焊接残余变形。经过建模计算火焰筒衬套组件焊接中内环与马鞍组件焊接中MX方向最大变形约为0.484mm，在对应180°方向变形量为0.795mm，综合计算后焊件在径向总变形量为1.28mm，建模分析结果与实际焊接变形量相吻合，结合所建立模型来分析规划火焰筒衬套组件焊接中控制焊接变形的可行性措施。

2 火焰筒衬套组件焊接变形规律总结与控制方案

火焰筒衬套组件在焊接过程中由于工序不同将产生不同的焊接变形，通过对火焰筒衬套组件焊接中所采用的对接、角接以及塞焊等焊接工艺所产生的焊缝变形特性进行分析：火焰筒衬套组件中的内环与马鞍在焊接中其焊缝主要为横向收缩变形，经过建模分析与实际实验测定内环焊接后其圆度变形最大可達到1mm左右，马鞍部分也会产生较大的横向变形。火焰筒衬套组件的外环与耳片焊接变形主要为纵向收缩变形，耳片处的纵向收缩变形将导致耳片的焊接处向内塌陷约0.8mm，角焊接变形所导致的纵向偏差最大能够达到1.6mm，上述火焰筒衬套组件焊接后所出现的变形量将导致火焰筒衬套组件的尺寸公差严重超过火焰筒衬套组件的焊接精度要求。

在完成了对于火焰筒衬套组件焊接变形的定性分析后需要对火焰筒衬套组件焊接变形规律进行建模分析，通过使用ANSYS软件对火焰筒衬套组件焊接过程中的变形量进行模拟分析以找出火焰筒衬套组件焊接变形规律，以便根据火焰筒衬套组件焊接变形规律合理地制定火焰筒衬套组件新的焊接方案。火焰筒衬套组件焊接变形量主要是由于焊接后的收缩变形力所导致的，因此，提高火焰筒衬套组件焊接质量的关键在于抵消火焰筒衬套组件焊接中所产生的变形力。在火焰筒衬套组件焊接方案的制定上可以采用外加焊接夹具用以向火焰筒衬套组件施加一个外加力，利用焊接夹具刚性强的特点来减少甚至是消除火焰筒衬套组件焊接时的收缩力，从而避免火焰筒衬套组件焊接后产生大的收缩变形，提高火焰筒衬套组件焊接质量。

3 火焰筒衬套组件焊接变形控制

在完成火焰筒衬套组件焊接变形规律的基础上采取针对性的措施做好火焰筒衬套组件变形的控制。工装夹具是焊接变形控制的有效举措之一，结合火焰筒衬套组件的焊接变形特点合理地设计火焰筒衬套组件的焊接工装夹具。在马鞍与内环焊接工装夹具的设计上，采用垫板与顶紧块组件相结合的方式来实现对于马鞍与内环的定位和夹紧，垫板用于调节马鞍与内环下表面的尺寸及平行度，顶块组件用以调节马鞍与内环之间的相对角向位置。在焊接夹具中加装胀紧机构来控制内环横向收缩变形，提高马鞍与内环的焊接质量。

马鞍与外环焊接夹具与内环相类似并与其有着类似的结构，不同的是在内环与马鞍之间加装了8块垫块用以完成对外环传递力的作用，加之铜垫块的热熔比较高能够及时地对焊接接缝处所产生的热量堆积进行散热，用以有效地控制焊接残余变形，提高焊接质量。

在完成了对于工装夹具的设计与改进后为了更好地对火焰筒衬套组件的变形进行控制可以采取以下措施对变形进行综合控制。火焰筒衬套组件中的内环是后续焊接定位的基准，如果由于内环焊接变形过大造成基准出现偏差将使得火焰筒衬套组件的后续焊接产生极大的综合性偏差，因此在火焰筒衬套组件焊接时首先需要做好内环变形的控制，建立起准确的基准以提高后续焊接的质量。在火焰筒衬套组件中马鞍与内环的焊接中其主要变形为焊缝的横向收缩变形，可以采取以下措施对变形加以控制：

（1）在马鞍与内环焊接前采用反变形法，通过提前计算与预估焊接所造成的变形量的方向与大小在装配时利用反变形法使得内环产生弹性变形来与焊接变形相抵消，提高焊接质量。

（2）通过对火焰筒衬套组件焊接参数进行修改用以减小火焰筒衬套组件焊接时所产生的热量堆积。对于火焰筒衬套组件焊接中耳片与内环所产生的纵向收缩和角变形的控制可以采用以下措施：

①采用反变形法。对耳片组件进行预处理用以使得耳片的提前变形与焊接所产生的变形相抵消，降低焊接变形所产生的影响。

②在焊接前使用刚性紧固法用以将耳片紧压在定位面上，并用压板对其进行固定，借助于固定夹具的刚性固定校准抵消火焰筒衬套组件焊接收缩所导致的变形，通过延缓或是消除焊接后所产生的变形用以确保火焰筒衬套组件焊接能够取得较为良好的焊接质量。调整火焰筒衬套组件焊接中所使用的焊接参数，减少热输入。

③加强火焰筒衬套组件焊接中的散热。火焰筒衬套组件焊接中大量的热量积聚在火焰筒衬套组件中将导致火焰筒衬套组件的焊缝与周边区域存在着极为明显的温度差，而温差的存将导致火焰筒衬套组件在焊接后因热应力的存在而产生收缩变形。因此在火焰筒衬套组件焊接过程中可以采取措施来加强焊接中的散热，降低火焰筒衬套组件焊接时的温差。为实现对于火焰筒衬套组件焊接中的强制降温，可以在火焰筒衬套组件焊接中在内外环之间加装铜块用以对焊接热进行强制散热，减少热量在焊缝处的堆积用以使得内外环焊接处与周边没有明显的焊接温度差，减少因热应力所导致的变形。

结语

火焰筒襯套组件焊接热变形是多种因素共同作用的结果，为确保火焰筒衬套组件焊接质量需要针对导致火焰筒衬套组件焊接变形的因素采取针对性的措施来控制火焰筒衬套组件的焊接变形量，确保火焰筒衬套组件焊接取得良好的效果。本文结合火焰筒衬套组件焊接变形特点对如何采取合理的措施来控制火焰筒衬套组件焊接变形量，提高火焰筒衬套组件的焊接质量。

参考文献

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