電子束焊接在燃氣輪機研制中的應用

海軍裝備部 （西安 710000） 王文杰

一、電子束焊接技術特點及應用前景

電子束焊接技術起源于德國，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前全世界已有幾千臺設備在核工業(yè)、航空宇航工業(yè)、精密加工業(yè)及重型機械等工業(yè)部門應用，其應用前景越來越廣泛。電子束焊接是利用匯聚的高速電子轟擊工件接縫處所產(chǎn)生的熱能，使材料熔合的一種焊接方法。

1.電子束焊接技術特點

電子束焊接技術特點：①加熱功率密度大。②焊縫熔深熔寬比大。③熔池周圍氣氛純度高。

2.應用前景

隨著電子束焊接技術在各工業(yè)領域的滲透，特別在精密加工、原子能及航空航天領域具有的應用前景，使得各國的研究者競相展開了對電子束基礎理論及應用技術的研究。美國、俄羅斯各研究人員利用電子束對碳鋼、合金鋼、不銹鋼、金、鋁合金及高強鋼等材料進行了焊接工藝試驗，對于電子束焊接參數(shù)（加速電壓、焊接電流、速度、聚焦電流、焦點位置等）對接頭組織及性能影響進行了研究，為合理地優(yōu)化焊接工藝、保證接頭的質(zhì)量提供了理論依據(jù)。電子束焊具有穿透力強、焊縫深寬比大、焊接變形小、精確快速的可控性等諸多優(yōu)點。但電子束焊接設備昂貴，焊接成本高，因而多應用于航空制造業(yè)，隨著現(xiàn)代新型材料研制的需要，電子束焊接在該領域的應用日益廣泛，并顯示出很大的優(yōu)越性。

二、電子束焊接在燃氣輪機研制中的應用

隨著燃氣輪機技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的氬弧焊、電弧焊等焊接已不能滿足其焊接要求，真空電子束焊接等先進焊接方法廣泛應用到燃氣輪機壓氣機機匣、壓氣機轉(zhuǎn)子、渦輪轉(zhuǎn)子及渦輪葉片研制中。

1.在壓氣機機匣研制中的應用

某燃氣輪機的高、低壓壓氣機機匣均是由整體電子束焊接成形的大型對開機匣，具有焊縫多、焊縫長、厚度大、交叉焊縫多等特點，焊接難度大、易出現(xiàn)焊接缺陷。

焊接接頭的設計：焊接接頭有多種形式，焊縫最好垂直于零件的壁面，也可以垂直于零件的軸線，接頭可以帶定位止口，也可以不帶定位止口。因為機匣高、組焊零件多，而且質(zhì)量大，所以機匣的徑向焊縫選用垂直于機匣軸線帶定位止口的接頭形式，縱向焊縫選用平行于機匣軸線的無襯底的對接接頭形式。

焊接夾具的設計：由于機匣高且重量大，焊接收縮量大，因而焊接夾具采用應過定位設計。夾具底座的中心應設計一個大直徑的芯軸，芯軸頂端有一大頂針孔和機床尾座上的頂針配用，裝在芯軸上的壓緊蓋板和螺帽之間設有大型蝶形彈簧，以補償機匣焊縫的軸向焊接收縮量，使機匣在整個焊接過程中始終保持良好的定位壓緊狀態(tài)。

焊接參數(shù)試驗：選用同材料、同狀態(tài)、同厚度和同接頭形式的試板，軸向焊接收縮量的模擬試驗用縮小尺寸的焊接試環(huán)。焊接試驗應進行多次，測取大量數(shù)據(jù)進行分析計算，焊接試板和試環(huán)的焊縫按相應的驗收標準經(jīng)X光檢查及檢驗合格。

應注意問題：①退磁：檢查夾具及零件的磁性，大于1Gs應退磁。②除油清洗：用汽油清洗夾具及零件，去除油污，用丙酮擦洗焊接面及其周圍區(qū)域，以減少焊接氣孔。③裝配：檢查清洗干凈的夾具及零件有無被再次污染。裝夾零件，用塞尺檢查零件焊接結(jié)合面的間隙，壓緊零件。④點焊定位：用氬弧焊對組焊零件進行對稱點焊定位，定位焊縫的寬度應小于電子束焊縫的寬度。⑤補焊：必要時進行電子束或氬弧焊補焊，補焊后應重新進行消除應力的熱處理和X光檢查。

2.在壓氣機轉(zhuǎn)子研制中的應用

壓氣機轉(zhuǎn)子一般選材為GH4169材料和鈦合金材料，其工作特點是轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)速可達數(shù)千或數(shù)萬。隨著焊接技術的發(fā)展，在現(xiàn)代先進發(fā)動機中采用焊接式轉(zhuǎn)子的越來越多，焊接轉(zhuǎn)子一般采用電子束焊接和摩擦焊，圖1為電子束焊接的壓氣機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖1 電子束焊接的壓氣機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

（1）焊接精度要求高 焊接的鼓盤式轉(zhuǎn)子必須保證組件的同心度和跳動要求，轉(zhuǎn)子的電子束焊接，要保證精度高、變形小、無氧化、高強度及低殘余應力，這就必須有大型的數(shù)控電子束焊接設備和成熟的焊接技術，同時還要靠焊接工裝和合理的工藝來保證。

（2）焊接質(zhì)量要求高 壓氣機轉(zhuǎn)子焊接過程中焊縫中易產(chǎn)生氣孔缺陷，尤其是對鈦合金。焊前應對焊接參數(shù)的合理性在模擬件上進行驗證，為了防止氣孔的產(chǎn)生，焊接接頭的襯底上應加工排氣槽，接頭焊前清洗應十分干凈，再根據(jù)材料不同采用對接頭的化學和機械清理。焊接過程中如采用穿透焊接，有利于消除氣孔缺陷但要做好焊接飛濺物的防護工作，且焊接熱輸入較大，零件易變形；采用非穿透焊接，必須將焊接中產(chǎn)生的缺陷盡可能深的引入到焊接襯底中去，隨后將襯底去除，無需修飾焊接工藝；為了保證焊縫質(zhì)量，一般要加厚襯底，并焊成襯底背面微透，這樣就不存在飛濺物燒傷和粘附問題，零件的變形也易控制。

（3）焊接參數(shù)試驗 在每個零件焊接前，先進行試板的焊接，確定合適的焊接參數(shù)；然后使用選好的參數(shù)在等厚度、等直徑的模擬試環(huán)上進行焊接，并按相同標準進行檢測。試環(huán)合格后方進行正式零件的焊接。

（4）注意問題 ①焊前對零件進行酸洗，然后在焊接接頭區(qū)域用不銹鋼絲刷進行清理。②在焊接止口處開放氣槽，零件焊接過程中產(chǎn)生的氣體通過放氣槽排出，降低焊縫氣孔缺陷產(chǎn)生的幾率。③焊前使用小束流對零件焊縫區(qū)域進行多次預熱，既能清理焊縫，使臟物提前蒸發(fā)，又能減少熱輸入量，降低焊接應力。④優(yōu)化焊接參數(shù)，采用聚焦焊接，使焊縫正面成形良好，背面微透，既減少了熱輸入量，又能將焊接產(chǎn)生的氣孔缺陷集中在焊縫止口底部，便于車加工去除。⑤封焊和正式焊接時，每相鄰的兩條焊縫起、收弧位置錯開180°，保證受熱均勻，且所有焊縫的起、收弧點必須均布，以減少焊接變形。

3.電子束焊接在渦輪研制中的應用

渦輪部件是燃氣輪機中承受高溫高壓高轉(zhuǎn)速的部件，是燃氣輪機研制工作的關鍵所在。為減輕重量、提高可靠性，新研發(fā)動機渦輪盤軸往往采用電子束焊接的一體化結(jié)構(gòu)。渦輪導葉工作環(huán)境溫度高，熱交變應力大，研制難度大，目前國內(nèi)外探索采用電子束焊接的多組葉片模式，取得較好效果。

（1）渦輪盤軸一體化焊接 在燃氣渦輪部分，盤軸往往采用電子束焊連接的一體化結(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)動件，在工作過程中有很大的扭轉(zhuǎn)載荷，焊接須確保盤軸的同心度和跳動要求，因此對焊接接頭質(zhì)量要求十分苛刻。在某型機低壓渦輪軸的研制中，采用電子束焊接將GH4169材料的軸連接起來（見圖2），采用焊接結(jié)構(gòu)件較整體件加工降低了機加工難度，同時節(jié)約了材料，經(jīng)濟性好，國外在RB199等發(fā)動機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)，應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力較小、壁厚較薄的位置。

圖2 焊接結(jié)構(gòu)的低壓渦輪軸

（2）渦輪導葉分組焊接 在渦輪導向葉片的制造過程中，由于導向葉片受到較大的氣動力與不穩(wěn)定的脈動負荷，還處于高溫燃氣的包圍之中，溫度高，冷熱變化大，溫度不均勻情況嚴重，熱沖擊和熱疲勞成為葉片失效的主要原因之一。在此情況下，導向葉片一般做成單葉、兩葉或三葉組，可采用電子束焊接，便于裝配、定位和公差控制，損壞后也易更換。在TAY及某機上，高壓渦輪導向葉片均為采用電子束焊接的三葉組結(jié)構(gòu)。葉片緣板的對接焊是典型的變截面焊接，焊接厚度在2～12mm之間變化，需由同一參數(shù)一次完成焊接，且焊縫要好，焊縫為Ⅲ級。葉片的焊接焊縫中易產(chǎn)生裂紋缺陷，尤其是在發(fā)動機上工作一段時間后，裂紋的產(chǎn)生由材料中Al、Ti及雜質(zhì)元素的含量較高有關，焊接質(zhì)量的控制尤為關鍵。