浅谈某双层总管焊接收缩及变形控制
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作者: 冯大娟
摘 要:某机燃油总管结构在已有批产型发动机总管的基础上进行了改进，由原来的单层结构改为双层结构，技术要求更高，结构更加复杂，焊接工艺难度大。加工过程中成型尺寸难以保证，焊接变形及焊接收缩量不易控制。经过工艺试验优化焊接参数，合理编排精化焊接工艺路线，攻克某机燃油总管成型及焊接变形控制的难题，加工的双层总管符合了设计图要求， 满足了使用需要。
关键词：焊接参数；焊接收缩量；焊接变形的控制。
中图分类号：TK221 文献标识码：A
双层总管技术要求高,结构复杂,焊缝多且为双层结构,加工难度大。由于时间紧,周期短,尽管一些尺寸相同，但结构发生变化，因此要想用原工装就要将工装进行核对,经过多次分析及研究,最后确定了最为合理的工艺路线、焊接参数，并采用一套大组合焊接夹具，使之加工出符合设计图的总管。
1 技术难点
1.1 结构复杂
某机燃油总管是由16个扇形段、8个耳座、2个三通、96个凸座、2个进油管组件、2个堵头、96个喷杆组成的双层结构的总管。
1.2 焊接质量要求高
由原来的单层结构改为双层结构，技术要求更高，结构更加复杂。焊接变形及焊接收缩量大，不易控制，焊缝距离喷油孔近不足10，易烧毁喷油孔，焊接困难。
1.3 技术条件要求高
1.3.1 管子弯曲后圆度不大于0.75。
1.3.2 管子弯曲后壁厚减薄量不大于0.11。
1.3.3 管子上8个耳座沿圆周均布，对总管环中心的位置度要求不大φ0.5、96个喷杆分上下两层沿圆周均布，对总管环中心的位置度要求不大φ1、垂直度要求不大φ0.5。
1.3.4所有喷杆喷出的油流的方向，不平行度在100长度上不大于7。
实现焊接变形的有效控制，焊接工艺的可重复性和可操作性。即需要合理编排焊接工艺路线，研制有效控制焊接变形的工装。满足总管几何尺寸要求。必须采取针对工艺措施，控制焊后几何尺寸。
2 焊接材料分析
燃油总管主要材料牌号为GH536，其化学成分见表1。
在固溶强化高温合金中，主要加入固溶强化元素W、Mo、Cr、Co、 Al。这些元素在镍中的溶解度很大。除部分形成碳化物或氮化物外，几乎全部溶入基体中，形成面心立方的γ固溶体。在焊接过程中，合金不会产生相变，对合金形成结晶裂纹无直接影响。具有液化裂纹的倾向性，为了减小和避免液化裂纹的办法是尽可能降低热输入，减小过热区高温停留时间。
3 总管的研制
3.1 工装的研制
总管工装研制，参考以往定位结构三套定位焊夹具，为了减化工装，缩短造周期，降低了工装制造成本，完成小段，中组合、大组合总管的装配定位焊。实践证明采用一套工装定位焊接能满足定位焊接要求。
3.2 确定加工工艺路线
由于总管双层结构、焊缝数量140多处，其位置和焊接方向各异，焊接变形及焊接收缩量不易控制，故采用分段焊接方法，将总管分为小段的焊接、组圈的焊接及喷杆、进油管的两次组合焊接。小段焊后经校正，减小焊接变形。为控制焊接收缩量，焊前预留尺寸，焊接收缩在后续焊接工序中得到补偿，焊后收缩量控制在设计要求范围内。
总管组合焊接工艺如下：
配齐零件-清洗配件-打光待焊处-装配定位焊-焊接-校正-标号打磨焊缝处-X光检验-焊接检验-补焊-装配定位焊-焊接-校正-打磨焊缝处-X光检验-焊接检验-补焊-真空热处理--校正-液压试验-冲洗-着色检查-清洗-排除故障-最终检验-冲洗-流量试验
总管喷杆及进油管同时焊接，这样特别是喷杆焊缝距离喷油孔近不足10mm的焊缝不但焊接困难，而且无法进行X光检查，我们将焊接喷杆和焊接进油管分步焊接，首先从在距离孔近喷杆处开始焊接，这样即能保证了焊接质量又避免由于焊接时间长而烧毁喷油孔，同时焊接的变形得以控制便于X光检查。然后焊接进油管。
3.3 焊接参数的确定
焊接工艺参数确定原则，焊接缺陷防止措施焊接参数的选择：钨极氩弧焊的主要参数有：焊接电流、焊接速度、保护气体流量、电极直径、极性等。
选择焊接参数的关键是选择适当的焊接电流和焊接速度。焊接电流与电弧热量成正比，在焊接条件、被焊接材料和其他参数不变的情况下，理论上焊接电流越大，焊件厚度也越大，只要焊接条件、材料和其他参数不变，那么一定厚度的材料所需要的焊接电流就只能在一定范围内变化，超过这个范围，就可能产生未焊透、焊缝凹陷、烧穿、焊缝太宽等缺陷。
焊接速度：焊接时零件可获得线能量q，线能量反比于焊接速度。在焊接材料、焊接条件和焊接电流等参数不变的情况下，焊接速度越小，线能量越大，而当焊接材料、焊接条件和焊接电流等参数一定时，一定厚度材料所需的焊接速度也只能在一定范围内变化。如果焊接速度大于这个合适的范围，就可能会造成未焊透，甚至会形成凹陷、烧穿等缺陷，尤其要注意选用较低的焊接速度。
焊接参数确定的基本原则：考虑以下几方面因素，材料、可焊性、材料的厚度、接头形式和配合间隙、焊件结构及焊接部位、焊接可达性及焊缝的能见度、焊缝质量要求和零件的尺寸精度。
4 总管的焊接变形及焊接收缩量的控制
4.1 焊前准备
能否焊出优质焊缝，焊前准备好坏有着十分重要位置，如表面清理，装配质量等直接影响焊接过程的稳定和焊接质量，所以焊前准备必须给予十分重视。
4.2 焊接变形及其措施
4.2.1 变形产生的原因
焊接都会产生变形，引起变形最主要的原因是集中热源局部加热，在焊件上产生不均匀的温度场，会使材料不均匀膨胀，处于高温区域的材料在加热过程中的膨胀量大，受到的周围温度较低，膨胀量较小的材料的限制而不能自由的膨胀。于是焊件出现内应力，使高温区的材料受到挤压，产生局部压缩应变，在冷却过程中，已经经受压缩塑性应变的材料由于不能自由伸张，而受到拉伸，于是焊件中又出现了一个与焊接加热时方向大致相反的内应力。焊后当焊件温度降至正常温度时残留于焊件中的内应力，则为焊接残余应力，焊后残留于焊件上的变形，则为焊接残余变形。
4.2.2 针对变形采取的措施
a、合理安排零件的装配焊接顺序，尽可能的避免装配焊接过程中焊接变形的积累。
b、在夹具限制状态下定位焊，有效地减小轴向收缩，定位焊时先用定位销在定位孔中定位限制径向位置变形，从而限制了收缩。
c、预留焊接收缩余量0.5mm，允许锉修管端调整收缩余量。
d、焊后进行消除应力热处理。
e、焊后校形，焊接后用胶木锤在夹具上手工校正，敲击焊缝，一方面可以消除焊接残余应力，另一方面有效的减小焊接变形，满足设计图要求。
4.3 焊接收缩量的摸索
由于总管焊接部位及焊接数量不同，焊接收缩量也不同，焊接余量留的不充足，在夹具上大组合时，装配定位焊比较困难，使总管焊接收缩后直径为下差，故在小段焊接时适量加大小段焊接余量，便于总管焊接后装配，满足设计要求的尺寸。
结论
通过此次总管的加工，攻克了某机燃油总管成型及焊接变形控制的难题，加工的燃油总管符合了设计图要求，满足了使用需要。使我们更进一步掌握了此加工方法，为今后的此类总管的加工积累了一定经验，同时也为后续类似结构总管加工奠定了良好基础。
参考文献
[1]刘效方，毛唯.高温合金的焊接《焊接手册》[Z].
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