1、减小结构的稳定性极限 。因此 , 对于 GH 536合金气机盘、风扇、叶片及其它高温部件 的加工制造中。第 26卷 第 11期 焊 接 学 报 Vo.l 26 No. 112 0 0 5 年 11 月 TRAN SACTIONS OF THE CH INA WELD ING INST ITUTION N ovem ber 2 0 0 5电子束焊接 GH536合金残余应力分布小孔法测试付鹏飞, 左从进, 毛智勇, 刘方军( 北京航空制造工程研究所 高能束流加工技术国防科技重点实验室, 北京 100024)摘 要: 航空发动机许多高温合 金结构需 要采用 电子束 焊接制 造, 但目 前对其 焊后
2、的残余应力分布状况研究 较少。针 对航空发动机 GH536合 金材料, 采用小孔 法对其电 子束焊接试板的残余应力 分布趋势进行测试研究, 试验结果表明, 焊缝区存在 较低的应 力峰值, 且应力分布符合传统规律。研究 旨在为 航空发动 机构件 的电子 束焊接 加工制 造积累经验和性能数据。关键词: GH 536合金 ; 电子束焊接; 小孔法; 残余应力中图分类号: TG456. 3 文献标识码: A 文章编 号: 0253- 360X ( 2005) 11- 21- 03 付鹏飞0 序 言 2航空构件, 焊接残余应力对其强度寿命的影响引起随着航空加工制造技术的发展, 高温合金广泛应用于航空制造
3、领域中。作为一种含铁量较高的铬和钼 固 溶 强 化 的 镍 基 高 温 合 金 , GH 536 合 金 在了人们越来越多的关注。研究旨在测试分析电子束焊接试板残余应力的分布趋势, 为选取较为理想的电子束焊接工艺参数900 以下具有较好的持久和蠕变性能。由于其良 提供试验依据。好的高温性能, 可应用于航空发动机燃烧室部件、压 1航空发动机构件日趋轻质化和复杂化, 这就对焊接工艺及焊接质量提出了越来越高的要求。与传1 电子束焊接试验研究研究 选 用 的 GH 536 高 温 合 金 成 分 ( 质 量 分统的焊接工艺相比, 电子束焊接具有能量密度高、热 数, % )见表 1, 试 板尺 寸为 3
4、00 mm 150 mm 2影区小、变 形 小 等特 点。因 此 , 采 用 电 子 束 焊接GH 536合金航空构件具有较大的优势。众所周知,在焊接过程中存在着较大的温度梯度, 将会导致焊后接头产生较高的残余应力; 较高的拉应力将会降低 接头的疲劳强度和腐蚀抗力, 而较高的压应力会mm。用钢丝刷磨削试板表面以去除氧化膜, 然后用酒精或丙酮擦 拭干净放进真 空室中。 GH 536 高温合金在高压 ZD150 - 15A 电子束焊机上完成焊接,焊接参 数见 表 2, 焊 缝正 面宽 2. 8 mm, 背 面宽 约1mm。表 1 GH536 合金材料主要化学成分 (质量分数, % )Tab le
5、1 Chem ica l compo sition o fGH536 supe ra lloyCr20. 5 23Co0. 5 2. 5W0. 2 1Mo8 10Al! 0. 50Ti! 0. 15Fe17 20B0. 010Cu0. 5Mn1Ni余量2 小孔法残余应力测试国内外应用较为广泛的应力测试手段包括无损的 X射线法及破坏性较 小的小孔法等。 X射线法主要依据 X射线的衍射原理进行测试; 接头一般是由多种相组成的, 组织及晶粒形态具有明显的不均匀性, 各相具有不同的物理化学特征, 所处的应力状态也各不相同; X射线对结构表面的平整性要求特收稿日期: 2005- 09- 21别高 3 。
6、因此, 采用 X 射线法测量焊缝表面的残余基金项目: 国防预研基金项目 应力存在较大的难度和误差。22 焊 接 学 报 第 26卷表 2 GH536 合金电子束焊接工艺参数 边温度的恢复和残余应变的释放 5 , 研究 GH 536合Tab le 2 P aram eters o f EBW fo r GH536 supe ra lloy 金试板钻孔后, 每间隔 15 m in测量一次, 至两次测编号12工艺焊接修饰焊接修饰加速电压U a /kV140140140140束流Ib /mA5. 33. 34. 83焊接速度v /( mm s- 1 )13. 36. 678. 336. 67量差值小于
7、 5 !。试验结果表明 钻孔后测试总时间达到 60 m in后残余应变可完全释放, 测试的应力值可作为最终测量值。GH 536合金工艺 1焊接试板 A 列残余应力的分布趋势见图 3、4, 可以看出, 在垂直焊缝方向, 试板中心线上各点残余应力的分布以纵向残余应力为主, 横向残余应力值很小。焊缝及近缝区存在较高而小孔法测试技术发展的比较成熟, 国内外有相关的标准和方法, 只要保证钻孔和贴片技术操作的正确, 可以达到较高测量精度, 对表面状况及环境的纵向残余拉应力, 随着距离焊缝中心距离的增大应力值逐渐减小, 两侧较远的母材存在压应力区。等因素的影响不太敏感 4 。因此, 小孔法被广泛地应用于科学
8、研究工作中。选取小孔法对 GH 536高温合金电子束焊接试板进行 测试 研 究。采 用灵 敏度 为 2. 8% # 1% 的Y JD - 1型静动态电阻应变仪, 以及电阻值为 ( 120 #0. 1) 的 BX120- 3CA 型电阻应变计进行测试。2. 1 焊接试板测点布置考虑到 传统 焊接残 余应 力 的分 布特 点, 在如图 1所示的 GH 536合金焊接试板上布置测点粘贴应变计准备测试。图 3 工艺 1试 板 A 列纵向应力分布F ig. 3 Long itudina l stresses d istribu tion a long A forparam eter No. 1图 1 G
9、H536 合金焊接试板测点布置示意图F ig. 1 Schema tic o f measured po in ts la id in GH536supera lloy p la te s w ith EBW2. 2 测试时间的影响垂直焊缝方向试板 中心线上 A 列贴片位置和形貌见图 2。图 4 工艺 1试 板 A 列横向应力分布Fig. 4 T ransve rse stresses d istr ibu tion a long A fo rpa rame te r No. 1图 2 GH536合金焊接试板贴片形貌Fig. 2 S tra in gauge s pasted on GH536
10、 supe ra lloy p la tes 由于焊缝区略微有些余高, 无法贴片测试, 拟合w ith EBW将应变计与电阻应变仪连线接好, 调零后钻取所得的焊缝中心纵向拉应力峰值达到了 340 MPa,见图 3。横向残余应力的分布趋势见图 4, 在焊缝两孔径为 2 mm, 深 2 mm 的小孔。考虑到钻孔后孔 侧存在两个残余应力峰, 应力值在 - 80 20MPa之第 11期 付鹏飞, 等: 电子束焊接 GH 536合金残余应力分布小孔法测试 23间变化, 以压应力为主。在平行焊缝方向上, 距离焊缝中心 2 mm 处的GH 536合金电子束焊接工艺 1试板 B 行残余应力分布趋势见图 5,
11、各点纵向应力均为拉应力, 应力分布 较 平 稳, 在 25 mm 的 区 域 内 应 力 值 在 250 350MPa之间波动。可推测沿焊缝在试板中部存在一个相对的应力稳定区。横向应力值较低, 且均为压应力; 横向 应力值在 - 100 100 M Pa 范 围内变化, 应力分布趋于稳定。图 6 工艺 2 试板 A列纵向残余 应力分布Fig. 63 结Long itud ina l re sid ua l stresse s a long Afor pa rame ter No. 2论( 1) 采用小孔法测试电子束焊接残余应力分布准确性较 高, 特别 是对于测试 GH 536 合金较 为理想。
12、钻孔后残余应变完全释放的时间要根据具体情况通过试验来测定。( 2) GH 536合金试板选 取合适的电子 束焊接工艺, 焊缝区残余应力峰值将远低于母材的屈服强度, 且焊缝区的残余应力以纵向应力为主。( 3) 残余应力沿焊缝横向的分布符合传统的应力分布趋势, 沿焊缝纵向在试板中部应力分布将较为平稳。参考文献: 1 中国航空材料手册 %编辑委员 会. 中 国航空材 料手册 (第 2卷. 变形高温合金 ) M . 北京: 中国标准出 版社, 2002. 224图 5 工艺 1 试板 B行 焊接残余应力分布F ig. 5 W e ld ing residua l stresses d istribu
13、tion a long Bfor pa rame ter No. 1工艺 2试板焊接残余应力分布曲线见图 6。与图 3相比, 拟合后工艺 2 焊缝中心的纵向拉应力峰 2 3 4- 237.拉达伊 D. 焊接热 效应 - 温 度场、残余应 力及 变形 M . 北京: 机械工业出版社, 1997. 10 - 50.袁发荣, 伍尚礼. 残余应力的测试与计算 M . 长沙: 湖南大学出版社, 1987. 150- 200.唐慕饶. 焊接检测技 术 M . 北京: 机 械工业出 版社, 1988.161 - 220.值较高, 这主要是由于工艺 2焊接热输入高于工艺 5 游 敏, 郑小玲, 王 福德. 盲
14、孔 法测定 焊接残 余应力 适宜测1, 在焊接过程中将会形成较高的温度梯度所致。GH 536合金电 子束焊接试板焊缝区残余应力分布以纵向 应力为 主, 工艺 1 焊 缝应 力峰值 较低(远低于其屈服强度 ), 说明针对 2 mm 厚的 GH 3536试板所采用的电子束焊接工艺 1是较为理想的。试时间研究 J. 武 汉水 利电 力大 学 (宜 昌 )学 报, 1999, 21( 1 ): 54 - 57.作者简介: 付鹏飞 , 男 , 1978 年 9月出生, 硕士研究生, 助理工程师。主要从事电子束焊接工艺及设备研究工作。发表论文 5 篇。Em ai:l fupengfei97 163. com
