电子束焊接技术因其能量密度高、焊缝质量好等特点,已经广泛地应用于航空发动机各部件的焊接过程。航空发动机结构复杂且对各部件精度和安全性能要求较高,焊接过程不可避免地会产生残余应力和变形,因此控制结构焊后残余应力并减小焊接变形成为了实际生产中关注的重点。本文以GH4169高温合金航空发动机环形件电子束焊接过程应力与变形为研究对象,采用数值模拟和试验研究相结合的方法,探索优化的焊接工艺及焊接顺序,提出相应的焊接工艺优化方案,以期为构件实际焊接过程提供理论支撑和借鉴意义。首先,开展了GH4169合金电子束焊接正交试验,通过分析不同焊接工艺参数下焊接接头的形貌特征、拉伸性能和显微硬度,得到了适用于环形件电子束焊接的优化参数,即加速电压60 kV,电子束流20 mA,焊接速度20 mm/s。进一步根据实际试验工况建立平板对接有限元模型,通过比较试验和模拟的焊缝横截面形貌,校核了双椭球热源和圆锥体热源相结合的组合热源模型,并将模拟得到的残余应力与试验测量值对比,结果吻合良好。其次,建立了航空发动机环形件电子束焊接有限元模型并对焊接过程中的应力和变形进行计算。结果表明,构件上残余应力较高的区域主要集中在各环焊缝及其附近,并且各个安装环焊缝的应力均值高于内外环焊缝。此外,冷却过程能够有效降低较小局部变形区域的应力,二次加热也可以显著减小应力。最终状态下,外环变形量较小,而内环和各安装环沿着中心轴向下发生明显凹陷,轴向位移峰值达到0.27 mm,在径向上外环整体向构件中心收缩,内环大部分区域向外扩张,但整体上向着内环后焊接区域发生一定程度的偏移。最后,分别设计了内外环焊接顺序优化方案和安装环焊接顺序优化方案,并对比了不同方案下环形件焊接残余应力和变形的计算结果。内外环焊接顺序优化结果表明,先焊接外环再焊接内环的顺序能够更好地控制高应力区域的残余应力和构件的变形峰值。安装环焊接顺序优化结果表明,“组合对称式”的焊接顺序能够在使各环焊缝处于较低应力状态的同时控制各环的轴向位移大小,且在保持内外环径向上的尺寸精度方面明显优于其他方案。因此,先焊接外环再焊接内环,并对安装环采用“组合对称式”焊接顺序的工艺方案更适合于该环形件的焊接,该工艺优化方案将为实际生产过程提供一定的指导意义。