辐条式高温合金涡轮后机匣焊接工艺研究

0 前言

涡轮后机匣作为某型燃机的重要承力部件，属于典型的辐条式焊接机匣。涡轮后机匣的结构复杂，焊缝数量多，一方面焊接总热输入较大必然会导致结构整体残余应力水平较高，再加上结构尺寸及分布和焊接工艺的影响，在局部位置会产生残余应力集中的现象；另一方面大量焊缝在三维空间上的分布不均匀导致焊接变形机理极为复杂，控制焊接变形难度极大。焊接残余应力集中和焊接变形过大会对涡轮后机匣在服役过程中的稳定性及安全性造成严重威胁[1]。焊接残余应力与外载应力相叠加会使局部位置总应力过高，若超过材料的强度，则会使结构发生破坏性损坏，此外应力水平较高会大大降低结构的疲劳寿命[2-4]。焊接变形的存在会导致结构装配尺寸精度下降，而且在服役过程中会因外载的作用而引起结构应力分布改变以及应力释放，从而进一步导致结构尺寸发生变化[5-8]。因此涡轮后机匣在制造过程中需严格控制焊接残余应力及焊接变形。

对于大型复杂焊接结构，焊接残余应力与焊接变形的影响因素较多，焊接结构尺寸、焊接材料、焊接方法、装夹条件、焊接环境以及焊接工艺方案等的不同，造成的焊接残余应力水平和焊接变形量均不同。焊接残余应力与变形的控制方法分为三大类[9]，即焊前措施如焊前工艺设计、反变形及刚性固定等方法[10-12]；焊后措施如焊后力学处理、火焰矫形、焊后热处理等等[13-15]；焊中措施如预制拉伸、焊时温差拉伸、随焊碾压及锤击处理、随焊加热或激冷处理等等[16-20]。文中以某型舰用燃机中所使用的的涡轮后机匣为研究对象，结合其结构特征和焊接制造方法控制焊接残余应力、焊接变形及焊接裂纹等焊接缺欠，达到涡轮后机匣焊接工艺的优化生产，最终实现试验件完全满足设计要求。

1 涡轮后机匣的结构与材料

1.1 涡轮后机匣的结构与焊接工艺

涡轮后机匣是某型燃机转子的后承力支点的支撑框架，属于热端部件。作为转子承力框架，其结构为辐条式机匣，整体结构如图1所示。按辐条式机匣结前段、1件后机匣后段构成外环，通过8件支撑管与后结构划分，分为8件支板头、8件后机匣中段、1件后机匣前段、1件后机匣后段构成外环，通过8件支撑管与后机匣内环连接成为整体。

图1 涡轮后机匣整体结构示意图

采用焊接装配制造工艺设计及生产涡轮后机匣，如图2所示。涡轮后机匣由内环通过支撑管和支板头与外环连接而成，连接工艺为氩弧焊和电子束焊接，零件的材料为GH4169和K4169。涡轮后机匣的结构复杂，焊缝数量多达34条，焊接变形机理极为复杂。在某型舰用燃机的研制过程中，长期试验后检查发现涡轮后机匣内环处存在裂纹，严重影响零件和整机的安全性。为此，开展了裂纹产生的机理分析，并以此为依据开展了结构优化重新制定了焊接工艺。

1.2 涡轮后机匣的材料

如前所述，涡轮后机匣由1件内环、8件支撑管、8件支板头、8件中段、1件前段及1件后段通过氩弧焊和电子束焊接而成，各单件的材料见表1。

GH4169合金属于镍基变形高温合金。镍基合金是一种最复杂的合金，它被广泛地应用于制造各种高温部件。同时，也是所有高温合金中使用的最为广泛的一种合金，它的相对使用温度在所有普通合金系中也是最高的[21-23]。GH4169合金是以体心立方γ′相和面心立方γ′相为沉淀强化的一种镍基变形高温合金，在0 ℃以下具有高的抗拉强度、屈服强度、塑性、断裂韧性，具有良好的抗腐蚀、抗辐射、疲劳等综合性能，以及满意的焊接和焊后成型性能等。合金在650 ℃以下很宽的温度范围内组织性能稳定，成为在高温条件下用途极广的高温合金。GH4169合金的焊接性较好，可采用钨极氩弧焊、电子束焊接、摩擦焊、电阻焊以及真空钎焊进行焊接，能够获得良好的接头性能[24-26]。其应用范围一般用于制作航空、航天、舰船动力装置等发动机的涡轮盘与叶片、焊接机匣等结构件，化学成分见表2。

表1 涡轮后机匣材料

名称材料制造工艺数量内环GH4169模锻-数控机加1支撑管GH4169板料-模具成型8支板头K4169精铸-数控机加8中段GH4169板料-模具成型8前安装边GH4169模锻-数控机加1后安装边GH4169模锻-数控机加1

表2 GH4169合金化学成分(质量分数，%)

CCrSiCoNiMoMnCu≤0.0817.0～21.0≤0.35≤1.0050.00～55.002.80～3.30≤0.35≤0.30TiBAlPSFeNb+其余0.75～1.15≤0.0060.30～0.70≤0.015≤0.015余量4.75～5.50

2 涡轮后机匣应力分析

涡轮后机匣焊接属于典型的热加工工艺，由于焊接本身的工艺特点及焊件的材料与结构影响，焊件焊后存在一定的残余应力。此外，涡轮后机匣在燃机工作过程中受该部位不均匀温度场的影响，由此给整个构件额外带来了一定程度的热应力。因此首先需要对涡轮后机匣的这两种应力进行分析。

2.1 涡轮后机匣热应力分析

热应力是由零部件之间或零件不同部分之间由于受热变形不协调产生。涡轮后机匣属于舰用燃机的热端部件，其内、外环与支撑管在工作过程中因所处部位温度不同将产生不同的热膨胀量，由此将造成一定的热不协调量。涡轮后机匣热不协调量计算见公式(1)：

ΔL=ΔL1-(ΔL2-ΔL3)

(1)

其中：ΔL为热不协调量；ΔL1为支板径向变形量；ΔL2为外环径向变形量；ΔL3为内环径向变形量。

按照某型燃机的大工况计算，其涡轮后机匣的热变形不协调量将达到1.128 mm，由此产生的等效热应力在内环根部已达1 256 MPa。

2.2 涡轮后机匣焊接应力分析

焊接属于典型的热加工工艺，由于焊接本身的工艺特点及焊件的材料与结构影响，焊件焊后将存在一定的残余应力，残余应力水平与焊件的材料、结构、焊接工艺及焊后热处理有关。受涡轮后机匣结构限制，测量焊接残余应力十分困难，按“应变-应力”关系，工程中可以用焊接变形量的大小间接显示焊接残余应力的水平高低。根据涡轮后机匣的故障件和其它台份的产品的尺寸检查情况，产生裂纹内环部位的尺寸与设计要求相差达1.55～2.2 mm。

由内环的变形可推断，涡轮后机匣在焊接过程中产生了很大的残余应力，有可能导致内环与支板连接处产生了塑性变形。对涡轮后机匣故障件内环开展的焊接应力有限元弹塑性分析表明，当内环内表面的径向位移为0.8 mm时，B,E点应力达1 314 MPa，如图3,4所示。

英国皇家海军将军舰的燃料由低燃烧值的煤炭改为高燃烧值的石油，提高了英国舰队的速度，增大了活动范围，燃料补充更加快捷，英国舰队也就更加牢固地掌握了制海权。而以煤炭燃料的德国舰队则受限于狭窄的范围之内，欲出不得。战争爆发时，英国主力舰队压倒了德国公海舰队。

针对该问题，利用磁力驱动机构的原理，设计了一款专门针对密封容器内部多相物料料位进行实时和可持续监测的带磁力驱动清洗装置的密闭容器多相物料料位监测装置[5].容器内部的机械清洗机构的表面为聚氯乙烯材质，能够避免被强酸、强碱或化工生产中常见的腐蚀性物质损坏.清洗机构通过外部磁力驱动，不需要在容器壁上穿孔，避免了容器内压力变化，和有害物质的外泄.

图3 涡轮后机匣内环应力点示意图

图4 涡轮后机匣内环应力

综上所述，由于涡轮后机匣的焊接制造工艺必然使其存在一定的残余应力，同时工作环境和结构特点使其在工作过程中也将产生一定的热应力，两种应力叠加在一起如果超出或者接近材料的强度极限，在整机工作过程中极可能造成构件结构失效。因此，在热应力固有的条件下，如何减小焊接残余应力是涡轮后机匣焊接工艺的工艺难点。

分析认为，采用《生产安全事故报告和调查处理条例》中的人员死亡与经济损失作为水库大坝 （潜在）后果分类标准是合适的。尽管后果分类标准中的生命损失和经济损失是根据假设计算而来，并不是实际损失，但是以此划分体现了后果的可能严重程度，也与现行法规一致。

3 涡轮后机匣焊接工艺与试验分析

减小涡轮后机匣的内环处的焊接变形是制定焊接工艺的关键点。为此，结合故障件的焊接工艺，开展了涡轮后机匣的焊接工艺优化，并对此开展了试验件的研制。具体如下：

3.1 涡轮后机匣初始焊接工艺

涡轮后机匣初始焊接工艺流程如图5所示。其中，组件Ⅰ和组件Ⅱ的焊接方法为钨极氩弧焊；组件Ⅱ、前段、中段、后段采用电子束焊接[27]形成涡轮后机匣；电子束焊接完成后进行真空时效热处理工序[28-30]。

图5 涡轮后机匣焊接工艺流程

涡轮后机匣初始焊接工艺在组件Ⅰ、组件Ⅱ、涡轮后机匣分别采用了焊接工装。其中，组件Ⅰ的焊接工装是保证支板头和支撑管的形位公差和焊缝的保护；组件Ⅱ焊接工装的作用是为了保证组件Ⅰ对内环的形位公差和支板头处的几何尺寸满足下一级组件的配合要求；涡轮后机匣的焊接工装仅对外环的前、后段处进行限制，对内环无限制。

零件焊接完成后将焊接工装拆卸，随后进行真空时效热处理，真空时效热处理工序为自由状态，内、外环处均无限制。

3.很多学生有完美主义倾向，尤其是女孩子在使用错题本时，常常是外在大于实际，把错题本弄得美美的，当成“艺术品”来对待，反而没有关注到错题本的本质；

3.2 涡轮后机匣优化后的焊接工艺

与初始焊接工艺相比，涡轮后机匣优化后的焊接工艺路线主要如下：①组件Ⅱ焊后增加消除应力热处理，温度为550 ℃；②组件Ⅱ、前段、中段、后段形成涡轮后机匣的电子束焊接工序采用如图6所示的焊接工装；③在电子束焊接工序后增加固溶热处理，温度为970 ℃，炉内冷却降温至720～620 ℃进行时效热处理，在此过程中焊接工装不拆卸。需要指出的是，为增强图3中B,E两点的强度，设计将此处的转接R数值由R2更改为R5。

与重力场特征类似，本区高山岩体和宝山岩体的磁场值相当，均为-140nT左右，亦说明两岩体可能同属深部相连的同一个岩体。此外，北部边界近东西向的半椭圆形负磁异常可能为区域性构造所致。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 试验结果

如上所述，涡轮后机匣焊接残余应力水平可以用内环内壁(图3所示的C,D点所在面)直径的变化数值进行表征，因此，初始焊接工艺和优化后焊接工艺的试验数据重点对该处的变化量进行对比分析。按涡轮后机匣初始焊接工艺生产的产品直径的变化量的平均值为1.1 mm。按涡轮后机匣优化后的焊接工艺生产的产品直径的变化量的平均值为0.737 mm。

与治疗前相比，两组患者治疗后的AST、ALT、AKP、Cr、BUN、DBIL、TBIL水平均较低，ALB水平均显著较高；治疗后，血液透析组患者的AST、ALT、AKP、Cr、BUN、DBIL、TBIL水平与常规治疗组相比均显著较低，差异具有统计学意义（P＜0.05），ALB水平均显著较高，差异具有统计学意义（P＜0.05），但治疗前两组患者的 AST、ALT、ALB、AKP、Cr、BUN、DBIL、TBIL水平比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具体见表1、表2。

图6 涡轮后机匣刚性限位焊接、热处理示意图

3.3.2 试验结果分析

涡轮后机匣初始焊接工艺与优化工艺的焊接工艺参数完全一致，主要区别是优化工艺采取了对内、外环限制的焊接工装。

焊接应力与变形是由多种因素交互作用而导致的。通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接应力与变形产生机理可表述如下：焊接热输入引起材料受热不均匀，使焊缝区熔化；而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压塑性变形；在冷却过程中已发生压缩塑性变形的这部分材料(如长焊缝的两侧)又受到周围条件的制约而不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载；与此同时熔池凝固，金属冷却收缩时也产生相应的收缩拉应力变形。因此在焊接接头产生了缩短的不协调应变(即残余塑性应变)。

涡轮后机匣优化焊接工艺过程的焊接变形分析如下：①组件Ⅰ的焊接过程对内环内壁处的直径变化无影响；②组件Ⅱ的焊接过程因要保证支板头侧面处的直径尺寸，需对支板头处进行限定，使其不能向轴心处过量收缩，因此该过程不会使内环内壁直径减小，但是该过程仍将产生一定的焊接残余应力，需安排一次消除应力热处理；③涡轮后机匣的电子束焊接过程共有18条焊缝，焊接顺序为先焊接2条环形焊缝，然后焊接其余16条纵向焊缝，16条纵向焊缝需采取对称焊接方式。对该过程的焊接变形分析如下：根据焊接变形原理可知，2条环形焊缝产生的宏观变形表现为机匣的轴向变形和焊缝部位的变形。16条纵向焊缝由于所受拘束较大，将产生较大的周向变形，引发整个外环向轴心处收缩，是造成内环内壁直径减小的主要原因。

涡轮后机匣的初始焊接工艺未对16条电子束焊缝的变形进行限制，是导致内环内壁直径变化量较大的主要因素。优化后的焊接工艺采用了内环内壁的刚性支撑，对图3中的C,D两点进行严格的限制，同时对8件中段进行刚性固定。通过这两项刚性限制，使16条纵向焊缝产生的变形向整个构件分散，以减小C,D两处的变形量。

由上述分析可知，优化后的焊接工艺因对内外环采取了极强的刚性限制，使外环处的16条电子束焊缝产生的应力分散到整个构件中。同时，因焊接工装的限制，才使得内环处的变形受到了限定，因此不能在焊后立即拆卸焊接工装，必须使零件连同焊接工装一起进行热处理。由金属学原理可知，金属构件的内应力只有经过再结晶后才能完全消除，对于GH4169合金来说，其再结晶温度是970 ℃，与固溶热处理的温度相同[31]。为达到此目的，涡轮后机匣优化后的焊接工艺在电子束焊接后增加了固溶热处理工步，同时为使焊接工装满足热处理温度以及与零件线膨胀系数的要求，焊接工装采用了GH3030的材料。

4 结束语

(1)为排除某型燃机涡轮后机匣内环处的裂纹，开展了裂纹故障的分析工作，在分析结论的基础上实施了设计结构和焊接工艺优化，并进行了试验件研制。按照涡轮后机匣优化焊接工艺生产的试验件完全满足设计要求，试验件经过评审鉴定后装机参加了耐久性试验。试车后经检查，涡轮后机匣试验件无裂纹，圆满地实现了预期目的。

(2)对热端部件的辐条式焊接机匣开展的热不协调量计算和等效应力分析，指出了该结构形式的焊接机匣在工作过程中的结构薄弱点，为制订焊接工艺提供了极大的帮助。

3.2 甲状旁腺的保护 甲状旁腺功能低下会导致低钙，造成手足搐搦等临床表现，是甲状腺癌术后常见并发症。有0～13%的甲状腺癌患者术后出现永久性低钙血症[9]。特别是在甲状腺全切除，或者合并Ⅵ区淋巴结清扫时，并发甲状旁腺损伤的机会大大增加，严重影响手术治疗效果和患者生活质量。因此在切除病灶清扫淋巴结的同时还要保护好甲状旁腺的功能。

(3)根据焊接原理和金属学原理开展的涡轮后机匣焊接应力分析，明确了各类焊缝导致涡轮后机匣内环处的变形的机理，对制订焊接工艺和热处理工艺起到了关键作用。

基因芯片中的DNA探针可与荧光标记的细菌16S rRNA基因或抗生素耐药性基因中特异性片段杂交，确定细菌的种类及耐药性基因。目前的基因芯片技术有PhyloChip和HuGChip两种，已覆盖大部分人类微生物，因此理论上可用于PJI的诊断；而且也可定制包含常见PJI病原菌及其相关毒力因子基因的芯片，使其诊断效率更快、成本更低［28］。在一项直接比较16S rRNA基因芯片技术与PCR焦磷酸测序技术描述口腔微生物特征的研究中，结果显示两种技术对常见细菌的诊断效率均较高，但对于不常见的微生物种类，焦磷酸测序技术的诊断范围和敏感性由于基因芯片技术更好［29］。

(4)采用GH3030材料制作的内外环刚性限制结构焊接机热处理工装对控制涡轮后机匣的焊接变形是有效的，通过试验件研制和随后的耐久性试验结果表明，该焊接工艺对于热端部件的辐条式高温合金焊接机匣是适用的。

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