涂覆焊技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)受感部安裝中的應(yīng)用研究

張 興 ，劉忠奎，薛秀生，張玉新

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

涂覆焊技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)受感部安裝中的應(yīng)用研究

張 興 ，劉忠奎，薛秀生，張玉新

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)發(fā)展的需求，解決發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試改裝和安裝帶來的流場(chǎng)擾動(dòng)問題，分析了設(shè)備參數(shù)對(duì)涂覆焊效果的影響，開展了涂覆焊技術(shù)的應(yīng)用研究，獲取了可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試受感部的埋設(shè)式安裝，避免了測(cè)試對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的氣密性，保障了后續(xù)試驗(yàn)試車的效果和發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性。

涂覆焊；受感部；安裝；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；測(cè)試

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)、耐久性、部件、高空臺(tái)和飛行等試驗(yàn)，需要進(jìn)行大量測(cè)試，以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)向高推重比的發(fā)展和內(nèi)流計(jì)算的需要，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)提出了新要求，也對(duì)測(cè)試改裝中測(cè)試受感部的安裝方法提出了新要求。原有的機(jī)械安裝、點(diǎn)焊壓片固定、膠粘固定等方法會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的擾動(dòng)，在一定程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)性能，從而影響設(shè)計(jì)驗(yàn)證和故障信息的精確判斷。金屬結(jié)構(gòu)表面涂覆焊技術(shù)是基于沉積涂層基本原理的1種高能電微弧脈沖冷焊接技術(shù)（簡(jiǎn)稱涂覆焊）。其特點(diǎn)是：工件本體無需預(yù)加熱，屬冷加工，工件受熱影響小，無變形；涂覆層與工件基體為冶金性結(jié)合，和基體具有一致或更好的性能；被加工表面的最小尺寸可達(dá)毫米級(jí)，最大尺寸不受限制；涂覆后受感部性能不受影響。憑其具有的上述優(yōu)良性能，涂覆焊技術(shù)適用于各種金屬基體，尤其不銹鋼和高溫合金基體的工件的加工，因此適用于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試受感部安裝。

本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)受感部涂覆焊安裝工藝進(jìn)行了應(yīng)用研究。

1 工藝參數(shù)對(duì)涂覆焊效果的影響

在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，工藝參數(shù)的選擇直接影響涂覆焊接的效果。為確定工藝參數(shù)與焊接效果的關(guān)系，對(duì)相同基體材料進(jìn)行了大量的焊接試驗(yàn)，研究每個(gè)工藝參數(shù)的選取對(duì)焊接效果的影響，并最終確定了影響焊接效果的主要參數(shù)為焊接功率、電壓、電流頻率和電極棒轉(zhuǎn)速，工藝參數(shù)與焊接效果的相關(guān)性見表1。

從表1中可見，工藝參數(shù)的選擇直接影響焊接效率和焊接表面的粗糙度，也會(huì)影響焊接面的致密性。另外，在涂覆焊過程中，氣體保護(hù)十分重要，良好的氣體保護(hù)可以提高焊接效率和涂覆層的致密度，降低涂覆層缺陷的形成幾率。通常采用氬氣作為保護(hù)氣，并根據(jù)電極材料的化學(xué)活性確定氣體流量。

表1 工藝參數(shù)與涂覆焊效果關(guān)系

2 電極棒材料與基體的匹配性

涂覆焊技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一就是研究與基體匹配的電極棒材料。電極棒的選擇應(yīng)考慮其導(dǎo)電性、硬度、抗氧化性、快速熔凝性和材料的冶金相容性等。根據(jù)被焊接部件的特性和發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的要求，研究了不銹鋼、鎳基、鈷基和高溫合金為主的焊接棒材。

經(jīng)過大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，涂覆所用的電極材料應(yīng)以鎳基和鈷基材料為主，配料中鉬和鎢含量宜高，而碳、硼和硅的含量宜低，硫與磷等雜質(zhì)的含量則是越低越好，電極棒材料與工件基體之間均為可涂覆、可焊接，電極棒的使用溫度見表2。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，電極棒的外形要圓且直，外徑φ＝3～4mm，長(zhǎng)約50～100mm如試件尺寸很小，可對(duì)電極棒進(jìn)行加工處理，以滿足特殊需求。

表2 電極棒材的使用溫度

3 工件表面預(yù)處理工藝

工件（發(fā)動(dòng)機(jī)零部件）表面上往往有油脂、油垢及氧化膜。為保證涂覆件和棒材表面的清潔度以獲得優(yōu)良涂覆表層，需在涂覆前對(duì)工件表面進(jìn)行預(yù)處理。

對(duì)于油脂、油垢的處理常采用化學(xué)清洗的方法，為達(dá)到最好的處理效果，經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐操作，確定了清洗用化學(xué)試劑的成分、清洗時(shí)間以及工藝步驟。具體方法為：先在氫氧化鈉溶液中擦洗，然后用水沖洗掉堿液，再置于硝酸、鹽酸和硫酸的混合溶液中浸泡5～10min（此時(shí)控制溶液溫度為50℃最宜），再用熱水漂洗，冷水沖洗，最后吹干。

在涂覆焊接過程中發(fā)現(xiàn)，清洗掉工件表面油脂、油垢后，其涂覆效果仍不理想，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件受熱時(shí)其表面常常被氧化，產(chǎn)生的氧化物熔化溫度很高，甚至要比母材金屬高得多（最高2090℃），氧化膜的存在降低了發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的導(dǎo)電性，導(dǎo)致涂覆層金屬雜渣，影響涂覆焊接的效果，因此，清除焊接部位表面氧化膜非常必要?？捎脵C(jī)械方法對(duì)工件表面氧化膜進(jìn)行處理，常用的方法為磨平或拋光。具體做法為：先用砂輪將坡口表面及兩側(cè)打磨光亮，然后用丙酮擦洗干凈即可。

4 受感部涂覆焊安裝工藝

4.1 涂覆焊安裝工藝步驟

受感部涂覆焊安裝工藝比較復(fù)雜，在安裝前需要進(jìn)行工件表面的預(yù)處理，安裝時(shí)還要根據(jù)涂覆基體材料選擇相應(yīng)的電極棒，根據(jù)受感部尺寸、基體和電極棒材料調(diào)節(jié)相關(guān)工藝參數(shù)，以獲得理想的涂覆效果。經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，確定了最合理的受感部涂覆安裝工藝步驟。

（1）根據(jù)測(cè)試受感部的形狀尺寸在發(fā)動(dòng)機(jī)部件表面加工測(cè)試孔或槽。

（2）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的材料屬性選取合適材料的電極棒，將電極棒加工成為適合測(cè)試槽的尺寸，安裝在焊槍上。

（3）將金屬涂覆焊的負(fù)極夾具夾持固定在發(fā)動(dòng)機(jī)部件上。

（4）根據(jù)受感部尺寸、發(fā)動(dòng)機(jī)部件和電極棒的材料屬性，確定金屬涂覆焊的功率、電壓、頻率和電極轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)。

（5）在高能電微弧作用下，用電極棒把預(yù)置在測(cè)試孔槽內(nèi)的測(cè)試受感部埋設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)部件上。涂覆埋設(shè)時(shí)要根據(jù)測(cè)試孔槽和測(cè)試受感部的尺寸合理控制焊槍的平移速度以及電極棒與涂覆面的間隙。

（6）涂覆時(shí)通惰性保護(hù)氣體。

（7）用磨具對(duì)涂覆的表面進(jìn)行處理，使其與發(fā)動(dòng)機(jī)部件表面外形一致。

受感部涂覆安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。涂覆安裝后測(cè)試受感部埋設(shè)部位與發(fā)動(dòng)機(jī)部件形成冶金結(jié)合，具有耐高溫?zé)g、抗高壓沖刷的優(yōu)點(diǎn)，并能提高測(cè)試受感部壽命和受感部安裝的安全可靠性，為發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試受感部的安裝提供了1種新的手段。

4.2 涂覆焊技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

涂覆焊技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件有特殊要求的測(cè)試用溫度、壓力等受感部的埋設(shè)式安裝，在某型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件葉片上成功安裝的測(cè)試用熱電偶如圖2所示。

5 結(jié)論與展望

應(yīng)用涂覆焊技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件測(cè)試受感部進(jìn)行埋設(shè)式安裝，延長(zhǎng)了測(cè)試受感部壽命，提高了安裝的安全可靠性，減少了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)流道內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)的擾動(dòng)以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。該技術(shù)可應(yīng)用于有特殊要求的航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的特殊部位測(cè)試受感部的埋設(shè)式安裝。作為1種新的受感部測(cè)試安裝手段，可在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中應(yīng)用，并可用于批產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件和葉片局部缺陷損傷修復(fù)等，也可用于航天、石油、機(jī)械設(shè)備等行業(yè)的金屬產(chǎn)品的焊接和缺陷修復(fù)。

[1]王魁漢.溫度測(cè)量實(shí)用技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：209-217.

[2]劉暢福，鄧明.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006：15-34.

Application of Coating Weld Technique in Aeroengine Measurement Probe Mount

ZHANG Xing,LIU Zhong-kui,XUE Xiu-sheng,ZHANG Yu-xin
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

To meet the requirement of aeroengine test and solve the flow field disturbance brought by the test refitting and mounting,the equipement parameter effect on the coating weld was analysed,application research of the coating weld was developed.The reliable test data was acquired.The built-in mounting of aeroengine test measurement probe was achieved to avoid the effect on the dynamic performance and assure the aeroengine structure air tightness,further the aeroengine test efficiency and safety were guaranteed.

coating weld;measurement probe;mount;aeroengine;test

張興（1955），男，高級(jí)工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試研究工作。