一种重型燃机压气机转子和透平组件电子束焊接工艺 【技术领域】
本发明涉及焊接领域，特别提供了一种重型燃机压气机转子和透平组件电子束焊接工艺。
背景技术
重型燃机是国家863计划项目，是国内首次自主研发的重型燃气轮机，其1～17级压气机转子和透平组件具有以下特点：锻件大(压气机组件中最大直径为Φ1901mm、透平组件中最大直径为Φ2101mm)、待焊厚度大(最大待焊厚度为80mm)、重量大(压气机中最大组合件重量为5吨)、待焊材料晶粒粗大(自由锻工艺)、焊缝数量多(压气机上共22条、透平组件上共5条)、待焊材料新(压气机材料为0Cr11Ni2MoNbV、透平组件材料为GH2674)及接头质量要求高(全部为I级、焊缝强度需达到母材的95％)、焊接轨迹繁杂(对接环缝、端面圆缝和锥面斜缝)。另外压气机组件中的五～十级和十一～十七级鼓筒都要求一次组合焊接完成，且所有单盘均加工到尺寸精度，电子束焊既要保证结构尺寸精度又要保证各项技术指标要求，国内没有任何研发基础，也没有任何机构开展过类似和相关的焊接工艺、材料焊接性、焊接变形和缩短量工艺裕度基础试验和研究工作。
黎明公司是重型燃机联合体的主成员单位，必须完成其压气机1～17级转子、透平组件的电子束焊接。由于重型燃机是国内首次自主研发的重型燃气轮机，国内从未电子束焊接生产过此类型的压气机转子和透平组件，属国内首次，为工艺技术空白点，因此编排重型燃机压气机1～17级转子、透平组件电子束焊接工艺，尤其是如何解决要求一次组合焊接完成的五～十级和十一～十七级鼓筒组件的关键技术，这就要求准确计算和确定缩短量的工艺裕度、采用特殊的工艺控制方法、特殊生产工艺装备和合理的工艺路线安排，同时需制定专用的重型燃气轮机电子束焊工艺及检验标准，适用于燃机产品电子束焊件的设计、施工、制造和质量检验。并提供给设计、工艺、冶金、器材、检验等部门做为编制相关文件和质量控制的依据。另外针对压气机级转子采用的0Cr11Ni2MoNbV材料在电子束焊时产生裂纹的问题，必须开展技术研究工作，防止焊接裂纹缺陷的产生。本项目针对重型燃机压气机1～17级转子、透平组件电子束焊接各环节的技术难点进行了大量试验研究，目的在于突破重型燃气轮机关键制造技术，掌握了大型燃气轮机核心的特种工艺技术，实现国内首台重型燃气轮机压气机转子和透平组件的电子束焊接，保证国内首台拥有自主知识产权的重型燃气轮机顺利研制成功。
实现重型燃气轮机核心部件压气机转子和透平组件电子束焊，是国内首台拥有自主知识产权重型燃气轮机成功的重要前提条件之一，也可为今后国内重型燃气轮机的系列化研制和商业化定型生产提供关键技术保障，打破重型燃气轮机长期依赖进口的局面，也为其成为新型军用装备动力装置奠定技术基础，具有良好的应用前景。
【发明内容】
本发明的目的是提供了一种重型燃机压气机转子和透平组件电子束焊接工艺。
重型燃机1～17级压气机转子和透平组件是该机的核心部分，所采用的电子束焊连接技术直接影响发动机的质量、寿命和可靠性，因此重型燃机压气机转子和透平组件的电子束焊必须保证结构的尺寸精度、质量稳定性及其他所有的技术指标要求。
重型燃机压气机转子由一、二、三级鼓筒、轴颈、五～十级鼓筒和十一～十七级鼓筒组成，有22条电子束焊缝，其五～十级和十一～十七级鼓筒都要求一次组合焊接完成，每个组件的焊缝都很多，且所有单盘均加工到尺寸精度。透平组件由一、二、三级透平盘构成，共5条电子束焊缝。本项目通过开展大晶粒组织大型锻件电子束焊工艺研究、焊接参数优化、确定缩短量工艺裕度、热处理试验、编制重型燃机电子束焊工艺及检验标准、工艺路线编排、焊接工装研制、0Cr11Ni2MoNbV材料大厚件电子束焊时防止裂纹缺陷产生的合金化技术攻关等研究工作，突破了关键制造技术，掌握了大型燃气轮机核心的特种工艺，按照本专利的重型燃机压气机1～17级转子、透平组件电子束焊接工艺、重型燃气轮机电子束焊工艺及检验标准和0Cr11Ni2MoNbV材料大厚件电子束焊时防止裂纹缺陷产生的合金化技术，实现了中国第一台拥有自主知识产权重型燃机的1～17级压气机转子和透平组件电子束焊接。
本发明针对重型燃机1～17级压气机转子和透平组件电子束焊的关键技术开展了大量系统的研究工作，优化了电子束焊参数、确定了缩短量的工艺裕度、进行了热处理试验、编制了重型燃气轮机电子束焊工艺及检验标准、确定了可有效控制焊接变形和缩短量的电子束焊接工艺和工装、开展了0Cr11Ni2MoNbV材料大厚件电子束焊时防止裂纹缺陷产生的合金化技术研究，结果表明，应用上述研究成果，实现了国内首台重型燃机1～17级压气机转子和透平组件的电子束焊接，焊缝质量合格，尺寸精度等各项技术指标符合要求，尤其是压气机五～十级鼓筒一次组合焊接完成6条焊缝，标志着中国重型燃机的自主研发突破了关键制造技术，掌握了大型燃气轮机核心的特种工艺，该项技术填补了国内空白，达到国际先进水平。
重型燃机是国家863计划项目，是国内首次自主研发的重型燃气轮机，其压气机1～17级转子和透平组件具有以下特点：锻件大，压气机最大直径为Φ1901mm、透平组件最大直径为Φ2101mm，待焊厚度大，最大待焊厚度为80mm，重量大，压气机中最大组合件重量为5吨，待焊材料晶粒粗大，自由锻工艺，焊缝数量多，压气机上共22条、透平组件上共5条，待焊材料新，压气机材料为0Cr11Ni2MoNbV、透平组件材料为GH2674，及接头质量要求高，全部为I级、焊缝强度需达到母材的95％，焊接轨迹繁杂，对接环缝、端面圆缝和锥面斜缝，此类组件的电子束焊在国内尚属首次。
本发明针对重型燃机1～17级压气机转子和透平组件电子束焊的关键技术开展了大量系统的研究工作，优化了电子束焊参数、确定了缩短量工艺裕度、进行了热处理试验、编制了重型燃气轮机电子束焊工艺及检验标准、确定了可有效控制焊接变形和缩短量的焊接工艺、开展了防止焊接裂纹缺陷产生的合金化技术研究，结果表明，应用上述研究成果，实现了国内首台重型燃机压气机转子和透平组件的电子束焊。主要有一～三级透平组件上共5条焊缝、压气机一～三级鼓筒、轴颈、五～十级鼓筒和十一～十七级鼓筒共22条焊缝，尤其是压气机五～十级鼓筒上的六条焊缝一次组合焊接完成，标志着中国重型燃机的自主研发突破了关键制造技术，掌握了大型燃气轮机核心地特种工艺，该项技术填补了国内空白，达到国际先进水平。
一种重型燃机压气机转子和透平组件电子束焊接工艺，其特征在于：重型燃机压气机转子和透平组件电子束焊接工艺重型燃机1～17级压气机转子和透平组件具有锻件大、待焊厚度大、重量大、待焊材料晶粒粗大、焊缝数量多、待焊材料新及接头质量要求高、焊接轨迹繁杂等特点，属国内首次，为工艺技术空白点，因此编排电子束焊接工艺成为关键，尤其是五～十级和十一～十七级鼓筒要求一次组合焊接完成，每个组件的焊缝都很多，且所有单盘均加工到尺寸精度，这就要求准确计算和确定焊接缩短量的工艺裕度、采用特殊的工艺控制方法、特殊的生产工艺装备和合理的工艺路线。本项目通过大量试验和生产实践，得出了焊接缩短量工艺裕度的经验计算公式：
η=(0.4~0.6)×S×Wr2Wf×Wm×10-n]]>
式中η-焊前接头单边预留的工艺裕度(mm)
S-焊缝熔深(mm)
Wr-采用正式焊参数时有效熔深处焊缝宽度(mm)
Wf-采用正式焊参数时焊缝正面宽度(mm)
Wm-采用正式焊参数时焊缝中间宽度(mm)
n-正式焊接次数；
针对重型燃机电子束焊接，需制定专用的标准作为重型燃机电子束焊接工艺、技术要求和焊接质量检验的统一文件，并提供给设计、工艺、冶金、器材、检验等部门做为编制相关文件和质量控制的依据。
通过大量技术资料、文件的消化、吸收，发布了适用于燃机产品电子束焊件的设计、施工、制造和质量检验的标准。规定了电子束焊接重型燃机不锈钢、热强钢及其合金、钛合金等焊接制件的焊前准备、装配的基本要求，焊件的检测方法，焊接技术和焊接工艺的要求，焊缝缺陷标准及排除缺陷的要求。
重型燃机压气机转子的材料为0Cr11Ni2MoNbV，是国内新研制的材料，且压气机盘均是采用自由锻工艺生产的大锻件，造成材料晶粒粗大，导致在进行结构拘束度大的大厚件电子束焊时极易产生裂纹，成为制约生产和影响质量的不利因素，本项目通过大量科学的技术研究和论证，研究出：
a.0Cr11Ni2MoNbV材料大厚件电子束焊时，为防止裂纹缺陷产生所填加的合金为GH536板材，厚度为1.0mm～2.0mm；
b.填加的GH536合金板材规格的经验计算公式为：
式一B＝(0.5～0.7)S
式中B-预置板材宽度，沿焊缝熔深方向的厚度(mm)
S-采用正式焊接参数时实际焊缝熔深(mm)
式二δ＝0.1(S1-B1)
式中δ-预置板材厚度，沿焊缝宽度方向的宽度(mm)
S1-焊缝有效深度(mm)
B1-确定的预置板材厚度(mm)。
本发明的优点：
焊缝质量合格，尺寸精度等各项技术指标符合要求，尤其是压气机五～十级鼓筒一次组合焊接完成6条焊缝，标志着中国重型燃机的自主研发突破了关键制造技术，掌握了大型燃气轮机核心的特种工艺，该项技术填补了国内空白，达到国际先进水平。
【具体实施方式】
实施例1
1.重型燃机压气机转子五～十级鼓筒电子束焊接工艺
1.1焊前加工
本项目通过大量试验和生产实践，得出了焊接缩短量工艺裕度值的经验计算公式：
η=(0.4~0.6)×S×Wr2Wf×Wm×10-n]]>
式中η-焊前接头单边预留的工艺裕度(mm)
S-焊缝熔深(mm)
Wr-采用正式焊参数时有效熔深处焊缝宽度(mm)
Wf-采用正式焊接参数时焊缝正面宽度(mm)
Wm-采用正式焊接参数时焊缝中间宽度(mm)
n-正式焊接次数
1.2五～十级鼓筒的装配
1)用干净的白棉布仔细擦拭用于鼓筒装配、焊接和热处理的夹具(夹具采用与压气机盘相同的材料制成，以保证线膨胀系数相同)，再用干燥的压缩空气吹干。
2)在十级盘与夹具装配面上测量尺寸A(从轮缘端面到轮毂端面)。
3)把工艺环磨削到尺寸A，将其安装到夹具上。
4)在十级盘另一面上测量尺寸B(从轮毂端面到轮缘端面)。
5)在九级盘上测量尺寸C(从轮毂端面到轮缘端面，该轮缘将会顶到十级盘相应端面上。)
6)计算九级盘和十级盘轮毂之间垫块H1的高度。
计算公式为：H1＝B+C-0.25
7)测量八、七、六、五级盘上的相应尺寸B和C，确定各级盘轮毂之间垫块高度H2、H3、H4和H5。
8)加工用于每一级的高度为H1、H2、H3、H4和H5的垫块各8块。
9)用吊具把十级盘吊起，并安装到夹具上。
10)把垫块H1安装到十级盘轮毂上，用金属丝将其连接。
11)用吊具吊起九级盘，用浸丙酮的干净白棉布擦拭九级盘和十级盘的待焊处。
12)把九级盘压装到十级盘上。
13)对于其它盘(八～五级)，重复工步10～12，把垫块H2、H3、H4和H5安装到各级盘的轮毂上。
14)把上部盖板和拉紧器(8件)安装到夹具上。
15)均匀地拧紧拉紧器上的螺母，把盖板压紧至盘的对接处没有间隙。用d＝0.03mm的塞尺检查，对接处塞尺不应通过。
16)选用八套橡胶弹簧，在P＝1250kgf的载荷下校准每一套弹簧。每套弹簧载荷的差值不应超过25～30kgf。
17)把弹簧安装到拉紧区域的上部盖板上。
18)把压紧盘和止动器(4件)安装到夹具上。用压紧盘的螺钉均匀地压紧弹簧至一定尺寸，使每套弹簧轴向力等于1250kgf。
19)吊起夹具安装到焊机台面上，校正夹具至台面的旋转轴线并固定。
20)将拉紧器从夹具上松开并取下。目视检查盘的对接处是否出现间隙。检查对接区域各级盘的径向跳动值并记录。
21)再次用浸丙酮的干净白棉布擦拭各级盘待焊处。
1.3五～十级鼓筒的电子束焊接
1)抽真空室的真空度至4.0×10-4mbar或更好。
2)在预置的试块上校准各项电参数。
3)用试验确定的定位焊参数，顺次对6条焊缝进行电子束焊定位，采取8点对称定位，每条定位焊缝长200mm～300mm。
4)采用试验确定的电子束焊接参数，采用隔一条焊缝焊一条的顺序进行焊接，每焊完一条缝，保持真空20～30min后，再进行下一条缝的焊接。
5)全部焊缝完成后，保持真空1h以上，再向真空室放气。
6)按照标准对焊缝进行外观质量检查。
1.4五～十级鼓筒的焊后检测
检查焊缝区域以及此前检查过的区域的径向跳动值并记录。
1.5五～十级鼓筒的焊后热处理
把带有楔形口的专用双头螺栓安装到夹具上。用楔形压紧夹具上的鼓筒。取下止动器和压紧盘，将鼓筒按专用工艺进行热处理。
1.5五～十级鼓筒热处理后跳动检测
从夹具上取下鼓筒，安装到立式车床上，在焊缝区域和此前检查过的区域检查径向跳动值并记录。
1.6五～十级鼓筒无损检测
按相关标准进行鼓筒焊缝的X光检查。
1.7五～十级鼓筒加工
按专门的工艺规程对鼓筒进行机械加工。
注：十六～十七级鼓筒和十一～十五级鼓筒的装配、焊接和热处理参照五～十级鼓筒的生产过程执行。
2.重型燃气轮机电子束焊工艺及检验标准的制定
重型燃机是国内首次研制，针对其电子束焊接，需制定专用的标准作为其电子束焊接工艺、技术要求和焊接质量检验的统一文件，并提供给设计、工艺、冶金、器材、检验等部门做为编制相关文件和质量控制的依据。
通过消化、借鉴乌克兰И255.105.111-89等标准，并结合黎明公司Q/3B5173、Q/3B 686等现行标准，最终发布的标准适用于燃机产品电子束焊件的设计、施工、制造和质量检验。规定了电子束焊接各型燃机不锈钢、热强钢及其合金、钛合金等焊接制件的焊前准备、装配的基本要求，焊件的检测方法，焊接技术和焊接工艺的要求，焊缝的缺陷标准及排除缺陷的要求，填补了国内空白。
3.0Cr11Ni2MoNbV材料大厚件电子束焊时防止裂纹缺陷产生的合金化技术
重型燃机压气机转子的材料为0Cr11Ni2MoNbV，是国内新研制的材料，压气机盘均是采用自由锻工艺生产的大锻件，造成待焊材料晶粒粗大，导致在进行结构拘束度大的大厚件电子束焊时，极易产生裂纹，成为制约生产和影响质量的不利因素，为解决这项技术难题，根据电子束焊可以获得窄焊缝(深宽比大)，可以提供熔化母材极少的很窄的焊接接头特点，本项目通过大量科学的技术研究和论证，并对采用该工艺技术所获得的焊缝进行各项理化性能检测，技术指标均达到设计要求。研究出：
1)0Cr11Ni2MoNbV材料大厚件电子束焊时，为防止裂纹缺陷产生所填加的合金为GH536板材，厚度为1.0mm～2.0mm。
2)填加的GH536合金板材规格的经验计算公式为：
式一B＝(0.5～0.7)S
式中B-预置板材宽度，沿焊缝熔深方向的厚度(mm)
S-采用正式焊接参数时实际焊缝熔深(mm)
式二δ＝0.1(S1-B1)
式中δ-预置板材厚度，沿焊缝宽度方向的宽度(mm)
S1-焊缝有效深度(mm)
B1-确定的预置板材厚度(mm)
S1-焊缝的有效深度(mm)
B1-预置板材实际厚度(mm)
3)采用机械加工方法，将加工好的填加金属板预先放置在紧配合的I型坡口接头中。
4)采用电子束工艺方法对预置的金属板进行定位焊。
5)采用(0.3～0.5)倍的正式焊接电流进行预热焊接和预置金属板的熔化。
6)采用正式电子束焊接参数进行焊接。
对采用上述工艺技术所获得的焊缝进行金相和各项理化性能检测，各项技术指标均达到要求。应用该项技术，0Cr11Ni2MoNbV材料大厚件电子束焊时可有效地防止裂纹缺陷的产生，技术方案填补了国内空白。