基于电子束焊的航空发动机机匣补加工技术研究.pdf

钐论坛F O R U M 基于电子束焊的航空发动机 机匣补加工技术研究 R e s e a r c ho nC l e a n u pM a c h i n i n gT e c h n o l o g yo fA e r o e n g i n eC a s i n gB a s e do n E l e c t r o nB e a m W e l d i n g 中航工业沈阳发动机设计研究所李小彪谷雪花徐欣刘平江 李小彪 硕士毕业于西北工业大学。现就职 于中航工业沈阳发动机设计研究所助 理工程师研究方向为机械制造工艺及 装备，申请专利1 0 项。发表论文4 篇。 随着现代发动机技术的快速发 展，对发动机零件的性能有了更高的 要求，作为航空发动机关键部件的机 匣类零件，其结构相应变得更加复 杂，这给加工制造带来了难度。实 际生产中，因机匣尺寸超差而造成产 品报废的问题屡见不鲜，对发动机的 5 0 航空制造技术2 0 1 4 年第1 9 期 本文以生产中面对的具体问题为例，基于电子束焊 的原理及特点，创新性地研究其在航空发动机机匣补加 工方面的应用，并对焊接结果进行了分析。 研制进度造成不利的影响，同时原有 机匣经一次试验后就闲置，利用率较 低。因此，为降低生产成本、保证生 产进度，可切割掉机匣尺寸超差区 域，采用焊接的方法，用已有类似机 匣的相应部分来代替，以满足使用要 求。 本文以生产中面对的具体问题 为例，基于电子束焊的原理及特点， 创新性地研究其在航空发动机机匣 补加工方面的应用，并对焊接结果进 行了分析。 问题提出及解决方案 处于加工状态的某型机匣结构 如图1 所示，包括外机匣、整流叶片、 内机匣3 部分。在加工内机匣时，基 准B 尺寸严重超差，造成该机匣无法 使用。现有发动机试验后闲置的类 似机匣如图2 所示，虽然外机匣右端 尺寸不一致，但内机匣尺寸、形位公 差完全相同。 考虑到零件材料为I C r l8 N i 9 T i ， 焊接性能良好。为保证生产任务按 进度顺利进行，将两机匣按尺寸进行 切割，利用焊接方法将已有机匣的相 同部分代替正加工机匣的超差部分， 如图3 所示。 焊接方法的选择 电子束焊是一种高能束流的焊 接技术，其原理是通过空间定向高速 运动的电子束撞击工件表面，将动能 转化成热能熔化被焊金属，金属冷却 凝固后形成焊缝。如图4 所示，经加 速和汇聚功率密度很高的电子束撞 击到零件表面，金属迅速熔化和蒸发 形成匙孑L ，匙孑L 被液态金属包围。随 万方数据 S p e c 矧P 。m g 特种加工 图1 ) J U T 超差的机匣结构示意图 图2 已有的机匣结构示意图 着电子束与工件的相对移动，液态金 属沿l b ：i = L 流向熔池后部，冷却凝固形 成焊缝1 2 】。 与传统的焊接方法相比，该技术 具有独特的优势| 3 l ： ( 1 ) 功率密度高，穿透能力强， 一次熔深范围广，焊缝深宽比大； ( 2 ) 焊接速度快、效率高，热影 响区小，变形易控制，接头力学性能 高； ( 3 ) 可控性好，能有效控制焊缝 尺寸和熔深，同时对电子束能量和工 作状态均可方便而准确地调节和控 制，可以实现复杂接缝的自动焊接。 因此，选择电子束焊作为机匣补 加工的焊接方法。 电子束焊过程实施 1焊接接头方式的选择 对接头方式提出了普通对接和 带止口对接两种方案，如图5 所示。 普通对接定位需在外机匣内壁上安 装定位环，定位环易变形、难安装， 且容易将定位环和外机匣焊接在一 起，后期处理麻烦。带止口对接可通 过底端的台阶保证径向位置，防止窜 动，定位较准确，故选用带止口对接 方式。 焊接接头装配精度对焊接变形、 图3 补加工技术解决方案 ( a ) 局部出现熔化、蒸发( h ) 匙孑L 的形成 ( r ) 匙孔被液态金属包同 ( d ) 冷却凝同形成焊缝 图4 电子束焊接焊缝成形原理闭 黝瀚t ( a ) 普通对接( h ) 带止口对接 图5 焊接接头方式 2 0 1 4 年第1 9 期航空制造技术5 l 万方数据 钐论坛F O R U M 焊缝质量的影响很大，因此采用如 图6 所示的定位工装。左端为焊接 定位底板，右端为焊接定位压盖，二 者通过双头螺栓把机匣固定在一起。 工装材料采用L Y l 2 ，该材料易加工， 密度小，能保证零件及工装重量不超 过电子束焊机的承重范围。 2 焊前预处理 由于电子束流容易受到磁场的 影响而发生偏转，因此，对零件的磁 场强度要求不大于1X1 晰。由于 该机匣材料为不锈钢i C r l 8 N i 9 T i 、工 装材料为L Y l 2 ，磁场强度弱，不必对 机匣及定位工装退磁。 电子束焊对零件焊接面的清洗 要求比较高，若焊前清理不干净，会 导致焊缝出现杂质、气孔等现象，影 响焊接的力学性能。因此在焊接前， 针对焊接接头内部及表面区域，先用 汽油清洗去除油、锈、氧化物及其他 杂质，再用丙酮擦洗清理。 3 焊接参数选择 焊接参数主要包括加速电压、焊 接电流、聚焦电流、速度和工作距离 等。焊接电流与焊接熔深有关。聚 焦电流影响焊接接头形状。因此，为 获得高质量的焊缝，必须合理调节焊 表1 焊接工艺参数 加速电压 焊接速度聚焦电流电子束流T ：作距离 肼k Vv ( m i l l m i n - ) 6 h A l m K h i r a m 5 55 1 R )4 q ( )3 55 ( 1 表2 焊缝性能测试结果 抗拉强度冲击韧度最大气孔尺寸 表面质量 盯棚P am v ，( J c m 。2 ) d l m m 均5J 尢缺陷 5 0 92 1 f 11 4 5 接参数1 4 l 。 参照线能量公式q = I U I v ，根据具 体情况和相关试验灵活调整焊接速 度、聚焦电流以及焊接电流等参数的 大小，在试件上进行焊前试验，通过 试片的焊接、切割及剖面腐蚀检查， 选取焊缝质量好的参数作为焊接参 数，如表1 所示。 焊接过程中采用了定位焊、封 焊、正式焊和修饰焊的顺序。定位焊 用于固定零件接口的相对位置，防止 零件焊接受热变形产生相对位移。 封焊采用较小的焊接电流，对零件 进行了固定。修饰焊可以消除零件 表面缺陷，保证焊缝表面平整、美观。 焊接完成后，将零件置于真空室一段 时间，使热量不致散失过快，降低焊 缝的冷却速度，利于接头区晶粒的生 图6 焊接定位工装 5 2 航空翩造技术2 0 1 4 年第1 9 期 长，降低因应力分布不 均造成的焊接变形。 结果分析 采用相同焊接工艺 及方法进行了试件的焊 接，性能测试结果如表2 所示。经对试件进行拉 伸检测，其抗拉强度达 到母材强度的8 7 。经 观察，焊缝及近缝区的 颜色与母材金属相近， 焊缝均匀。经1 0 0 表 面着色检查后，在表面 未发现裂纹及其他缺 陷。接头不存在未焊透、 未熔合。经x 射线探伤 检查，接头内部不存在 带尖角的气孑L 及夹杂物，单个气孑L 最 大尺寸为1 4 5 r a m ，且气孔间距大于 2 倍的气孔直径，任何7 5 m m 长焊缝 上气孔的最大累积长度小于7 m m ， 焊缝达到级标准要求。 焊接后经调质处理，焊缝及热影 响区的组织得到了有效的改善，焊接 接头的韧性得到了提高，同时残余应 力得到了释放。经车工车掉焊缝表 面余高，满足航空发动机机匣的使用 要求。 结论 针对机匣加工超差问题，选用 类似的已有闲置机匣，基于电子束 焊技术，将超差的部分进行切割、焊 接替换。介绍了电子束焊的原理及 优势，确定了搭接的接头方式，经焊 前预处理，选择了合适的焊接参数。 通过焊缝力学性能检查、表面检查、 内部探伤，证明焊缝质量达到级 要求，满足航空发动机机匣的使用 工况。 参考文献 范志强航空发动机机匣包容性理 论和试验研究【D 】南京：南京航空航天大学， 2 0 0 6 【2 】马正斌，刘金合，卢施宇，等电子 束焊接技术研究及进展电焊机，2 0 1 2 ，4 2 f 4 ) ： 9 3 9 6 【3 窦政平，谢志强，裴秋生，等 4 5 C r N i M o V A 钢真空电子束焊焊接学报， 2 0 0 5 ，2 6 ( 8 ) ：7 3 - 7 6 【4 】倪建成，曲伸，任萍，等电子束焊 在R 0 11 0 重型燃机制造中的应用航空制造 技术，2 0 11 ( 8 ) ：4 6 4 8 ( 责编深蓝) 万方数据