電子束焊接在渦輪制造中的應(yīng)用

在燃?xì)鉁u輪部分，盤軸采用電子束焊或摩擦焊連接是一種最簡單的不可拆卸結(jié)構(gòu)，中間沒有連接件，重量最輕。但由于渦輪部分為承力轉(zhuǎn)動(dòng)件，在工作過程中存在很大的扭轉(zhuǎn)載荷，焊接須確保盤軸的同心度和跳動(dòng)要求，因此對(duì)焊接接頭質(zhì)量要求十分苛刻。國內(nèi)在某型靶機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)中就采用電子束焊接工藝，將1Cr11Ni2W2MoV材料的渦輪軸和K418材料的精鑄葉盤焊接為一體。在某型機(jī)低壓渦輪軸的生產(chǎn)過程中，也曾采用電子束焊接將GQGH4169材料的軸連接起來。采用焊接結(jié)構(gòu)件較整體件加工降低了機(jī)加工難度，同時(shí)節(jié)約了材料，經(jīng)濟(jì)性好。國外在RB199等發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪部分就采用了電子束焊接結(jié)構(gòu)。盤軸焊接結(jié)構(gòu)，必須考慮不同材料的焊接接頭在各種使用工況下的影響，焊接接頭的位置盡量放在應(yīng)力較小、壁厚較薄的位置。

在渦輪導(dǎo)向葉片的制造過程中，由于導(dǎo)向葉片除受到較大的氣動(dòng)力與不穩(wěn)定的脈動(dòng)負(fù)荷外，還處于高溫燃?xì)獾陌鼑?，溫度高，冷熱變化大，溫度不均勻情況很嚴(yán)重，熱沖擊和熱疲憊成為葉片失效的主要原因之一。因此，導(dǎo)向葉片一般做成單個(gè)的或兩葉、三葉組，便于裝配、定位和公差控制，損壞后也易更換。導(dǎo)向葉片的材料為鑄造高溫合金，材料價(jià)格昂貴，這類材料的材質(zhì)很硬，采用精密鑄造，為了增強(qiáng)葉片的冷卻效果，進(jìn)步工作質(zhì)量，一般做成空心葉片。在TAY及WS9發(fā)動(dòng)機(jī)上，高壓渦輪導(dǎo)向葉片均為采用電子束焊接的三葉組結(jié)構(gòu)。葉片緣板的對(duì)接焊是典型的變截面焊接，焊接厚度范圍在2～12mm之間變化，需由同一參數(shù)一次完成焊接，且要求焊縫為Ⅲ級(jí)，葉片焊縫中易產(chǎn)生裂紋缺陷，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)上工作一段時(shí)間后，裂紋的產(chǎn)生與材料中Al、Ti及雜質(zhì)元素的含量較高有關(guān)。為了更進(jìn)一步進(jìn)步發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前工作溫度，現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)已采用很多新型耐受更高溫度的材料，如現(xiàn)在某機(jī)所用的Ni3Al基的IC10材料定向結(jié)晶鑄造的渦輪導(dǎo)向葉片，其工作溫度為1100℃，由T LP擴(kuò)散焊焊成兩葉組使用。該材料采用熔焊方法易產(chǎn)生焊接裂紋。

電子束焊接在燃燒室制造中的應(yīng)用

在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的加工制造過程中，電子束焊接得到了更多的應(yīng)用。燃燒室部件是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受熱負(fù)荷最大的部件，重量要輕。燃燒室部件易出現(xiàn)故障，危及自身及其他部件。因此對(duì)燃燒室部件的制造質(zhì)量要求較高。在燃燒室機(jī)匣的制造中，采用電子束焊接工藝將安裝邊與鈑金件焊接起來，大大節(jié)約了材料?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)多采用環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，其燃燒室內(nèi)外機(jī)匣均采用電子束焊接結(jié)構(gòu)，一般為GH4169材料，多為薄壁件，焊接時(shí)保證焊縫質(zhì)量滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ級(jí)要求。電子束焊接完成燃燒室外機(jī)匣、前置擴(kuò)壓器和內(nèi)機(jī)匣的連接。在某機(jī)機(jī)匣內(nèi)套的生產(chǎn)中，涉及GH141材料的電子束焊接，焊后在焊接接頭區(qū)域發(fā)現(xiàn)微裂紋。針對(duì)此情況，分析判定其為應(yīng)變時(shí)效裂紋，焊前對(duì)GH141材料進(jìn)行時(shí)效處理，并從焊接工藝、工裝等方面著手，控制焊后應(yīng)力，解決了焊接裂紋題目?；鹧嫱驳闹圃齑罅坎捎昧穗娮邮附庸に嚒?shí)現(xiàn)外壁與頭部及帽罩的焊接。由于結(jié)構(gòu)原因，電子束焊接要控制焊接熱輸進(jìn)量，防止零件變形，根據(jù)零件的具體結(jié)構(gòu)，有些情況下須采用非穿透焊接工藝，防止焊接過程中產(chǎn)生的飛濺物和焊瘤對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用造成影響。

電子束焊接在其他組件制造中的應(yīng)用

液壓作動(dòng)筒在發(fā)動(dòng)機(jī)上調(diào)節(jié)尾噴管的噴口大小，屬于發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵件。在某機(jī)液壓作動(dòng)筒的制造過程中，活塞上裝有橡膠密封圈，采用電子束焊接將蓋和襯筒連接起來。由于液壓作動(dòng)筒壁厚較小，焊接過程中必須嚴(yán)格控制焊接變形，以確?；钊谕搀w中的自由往復(fù)運(yùn)動(dòng)；焊接過程中，零件的溫升必須要小，保證焊接熱循環(huán)對(duì)活塞上的密封圈質(zhì)量無影響；另外，在保證有效焊接截面完全焊透的情況下筒體中無焊接飛濺物，這就必須從焊接接頭的設(shè)計(jì)上著手解決。在液壓作動(dòng)筒的焊接過程中，必須選擇較小的焊接熱輸進(jìn)量，采用局部焊透工藝和用銅激冷塊帶走焊接熱量的方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)齒輪制造中，采用電子束焊接方法，將齒輪環(huán)與齒輪軸焊接起來，解決了齒輪軸加工過程中插齒、磨齒的困難。齒輪軸焊接過程中，軸和齒環(huán)采用過盈裝配，氣孔是其焊縫中最易產(chǎn)生的缺陷，加大焊接襯底的厚度，并加開放氣槽，將焊接產(chǎn)生的氣孔盡可能深地引進(jìn)襯底中，焊后機(jī)加工往除，能很好地解決氣孔缺陷。另外，應(yīng)對(duì)焊接接頭背面的齒輪進(jìn)行保護(hù)，防止焊接殘余電子束的擊傷。用此方法焊接的某型機(jī)12Cr2N i4A材料的傳動(dòng)齒輪，焊縫質(zhì)量滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求，且焊后齒輪軸的尺寸和跳動(dòng)符合設(shè)計(jì)圖。

結(jié)束語

隨著飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)科研生產(chǎn)的需要，西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司近年引進(jìn)了3臺(tái)進(jìn)口數(shù)控高壓真空電子束焊機(jī)，真空室尺寸為1.5m3、5.5m3和36m3，同時(shí)對(duì)原有的一臺(tái)0.7m3的德國產(chǎn)電子束焊機(jī)進(jìn)行了大修改造。公司承擔(dān)著繁重的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)科研試制和批產(chǎn)任務(wù)，主要包括一、二、三級(jí)風(fēng)扇機(jī)匣、多種高低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓渦輪機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣、火焰筒組件等大約180多種零件，涉及不銹鋼、高溫合金及鈦合金等很多材料，焊接產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，滿足了部隊(duì)裝機(jī)需要，考核試驗(yàn)未出現(xiàn)焊接質(zhì)量題目。先后攻克了鈦合金材料電子束焊接的氣孔題目，GH14材料焊后的裂紋題目等很多技術(shù)困難，焊接技術(shù)氣力雄厚，為今后我國大型軍民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研制和批產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。