商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件的電子束焊接

中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 王 倫 韓秀峰 張 露

采用焊接結(jié)構(gòu)替代螺栓連接可以減輕航空發(fā)動(dòng)機(jī)重量，同時(shí)還可提高轉(zhuǎn)子組件的剛性與強(qiáng)度[1]。電子束焊由于焊接精度高、焊接接頭無氧化、焊縫質(zhì)量好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件的焊接[2]。商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件受載條件復(fù)雜苛刻，且具有長壽命、高可靠性的要求，對(duì)焊接部位的質(zhì)量要求較高。本文介紹了商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件電子束焊的主要應(yīng)用部位、接頭設(shè)計(jì)形式及焊后檢驗(yàn)方法。

1 轉(zhuǎn)子部件電子束焊接應(yīng)用部位

如表1所示，R.R.公司主要將電子束焊應(yīng)用于中壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件（包括高壓壓氣機(jī)末級(jí)盤與后鼓筒軸）的焊接。P&W公司除了將電子束焊接應(yīng)用于PW 4000的增壓級(jí)鼓筒、高壓壓氣機(jī)2～8級(jí)轉(zhuǎn)子組件、 9～11級(jí)轉(zhuǎn)子組件之外，對(duì)低壓渦輪2級(jí)盤與4級(jí)盤也采用了渦輪盤與篦齒環(huán)分體鍛造，再采用電子束焊連接成整體結(jié)構(gòu)的工藝。

1.1 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部件電子束焊

表1 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件電子束焊接應(yīng)用部位

增壓級(jí)鼓筒選材主要為鈦合金，一般采用整體鍛件，但大型商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)增壓級(jí)鼓筒由于尺寸較大（最大外徑超過1000mm，高度超過450mm），整體鍛造難度大，鍛件的組織和性能難以保證。若采用分級(jí)鍛造再通過電子束焊連接成組件的工藝，不僅可降低工藝難度，還有利于保證該組件的性能，同時(shí)也大大降低了制造成本。PW 4000增壓級(jí)鼓筒即采用了分段鍛造，再通過3條電子束焊縫連接成整體結(jié)構(gòu)的制造方法。

中壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件選材一般為鈦合金和IN718合金，這兩種合金的可焊性好，采用電子束焊接可實(shí)現(xiàn)高可靠的連接。圖1為中壓/高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子電子束焊組件示意圖，采用電子束焊工藝進(jìn)行中壓/高壓壓氣機(jī)盤之間的焊接時(shí)，焊接位置可分為以下4種：（1）兩級(jí)盤均不帶篦齒，篦齒環(huán)單獨(dú)鍛造，最后在篦齒環(huán)與前后兩級(jí)盤之間分別進(jìn)行焊接（圖2（a））；（2）前后兩級(jí)盤均帶篦齒，在兩級(jí)盤的篦齒中間進(jìn)行焊接（圖2（b））；（3）前一級(jí)盤不帶篦齒，后一級(jí)盤帶篦齒，在篦齒之前進(jìn)行焊接（圖2（c））;（4）前一級(jí)盤帶篦齒，后一級(jí)盤不帶篦齒，在篦齒之后進(jìn)行焊接（圖2（d））。

圖1 中壓/高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子電子束焊組件示意圖Fig.1 Schematic of electron beam welding (EBW) rotor Components of intermediate pressure com pressor (IPC)/high pressure com pressor (HPC)

圖2 壓氣機(jī)盤間電子束焊位置示意圖Fig.2 Schematic of EBW position between compressor disks

高壓壓氣機(jī)后鼓筒軸一般為錐形或喇叭形結(jié)構(gòu)，且長度較長，與高壓壓氣機(jī)末級(jí)盤整體鍛造難度較大且成本較高，可采用高壓壓氣機(jī)末級(jí)盤與后鼓筒軸分開鍛造，最后采用電子束焊連接的制造工藝。高壓壓氣機(jī)末級(jí)盤與后鼓筒軸之間的焊接位置為錐形段，裝配和焊接難度較大，可采用鎖底止口、對(duì)焊接部位進(jìn)行加厚等方法降低裝配和焊接難度（圖3），提高焊接接頭可靠性。

如圖3所示，該處焊縫的焊接方向分為以下兩種：與后鼓筒軸表面垂直（圖3（a））；與轉(zhuǎn)子組件軸向垂直（圖3（b））。該部位屬于高壓轉(zhuǎn)子，且焊接面積較小、焊接部位性能要求較高。為提高焊接部位的可靠性，對(duì)焊接部位的性能下降進(jìn)行補(bǔ)償，需對(duì)焊接位置進(jìn)行凸臺(tái)加厚，焊后對(duì)焊縫內(nèi)外表面均進(jìn)行機(jī)械加工，確保焊縫表面光滑、凸臺(tái)邊緣處平滑過渡，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

1.2 渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子部件電子束焊

圖3 高壓壓氣機(jī)末級(jí)盤與后鼓筒軸電子束焊接頭示意圖Fig.3 Schematic of EBW joint between HPC last stage disk and rear drum shaft

目前先進(jìn)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤一般采用粉末合金，因此高壓渦輪盤與前軸之間的焊接主要采用慣性摩擦焊，較少采用電子束焊工藝。

大型商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪盤直徑較大，若采用低壓渦輪盤與篦齒環(huán)整體鍛造，鍛件尺寸大、工藝難度較大且成本較高。若采用篦齒環(huán)與低壓渦輪盤分體鍛造，再采用電子束焊連接的方式，可大大降低工藝難度和制造成本。PW4000低壓渦輪2級(jí)盤、低壓渦輪4級(jí)盤采用了該工藝：低壓渦輪2級(jí)盤前、后篦齒環(huán)分體鍛造，再與低壓渦輪2級(jí)盤進(jìn)行電子束焊連接；低壓渦輪4級(jí)盤、低壓渦輪4級(jí)盤前篦齒環(huán)分體鍛造，再通過電子束焊進(jìn)行連接。

2 轉(zhuǎn)子部件電子束焊接接頭形式

2.1 帶凸臺(tái)、鎖底止口，焊后進(jìn)行機(jī)械加工

如圖4（a）所示，該種接頭形式的焊接位置留有凸臺(tái)且焊縫背面帶有鎖底止口，并要求焊后對(duì)焊縫正面、背面均進(jìn)行機(jī)械加工。該種接頭形式通過鎖底止口降低了裝配難度，解決了焊縫背面飛濺、焊縫背面保護(hù)等問題，且通過焊透待焊部件（焊至鎖底），將缺陷帶入鎖底焊后通過機(jī)械加工去除，進(jìn)一步提高了接頭質(zhì)量。但采用該接頭形式焊后需進(jìn)行機(jī)械加工去除焊縫背面鎖底，工序較復(fù)雜，且壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件尤其是高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件盤間間距小、盤心孔徑小，這些都給焊縫背面鎖底加工帶來較大困難。

2.2 帶凸臺(tái)，焊后不進(jìn)行機(jī)械加工

如圖4（b）所示，該種接頭形式焊接部位內(nèi)外表面均加厚，且焊后不進(jìn)行機(jī)械加工。采用單面焊雙面成形的電子束焊工藝，由于焊后接頭內(nèi)外表面不需要進(jìn)行機(jī)械加工，工序減少，生產(chǎn)效率較高。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件盤間間距小、盤心孔徑小，若進(jìn)行焊縫背面加工難度大、效率低，而采用該種接頭形式可大大提高生產(chǎn)效率。由于采用該種接頭形式焊后無加工余量，對(duì)焊接前的組件裝配精度要求較高，且需考慮焊接過程中的焊縫收縮、焊接變形等因素；另外，轉(zhuǎn)子組件尺寸精度、動(dòng)平衡要求較高，且壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件往往帶有多級(jí)焊縫，這都對(duì)焊接裝配、焊接工藝提出了較高的要求。此外，單面焊雙面成形電子束焊工藝必須解決焊縫背面不能焊漏、不能產(chǎn)生飛濺等問題。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件電子束焊接頭示意圖Fig.4 Schematic of EBW joint of aeroengine rotor Components

采用該接頭形式的焊接部位，均通過不同程度的加厚對(duì)焊接部位性能下降進(jìn)行了補(bǔ)償，而加厚部位的厚度、寬度的確定需通過焊接接頭性能測試及結(jié)構(gòu)完整性分析，并根據(jù)接頭部位的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算。此外，由于該接頭形式焊后不進(jìn)行機(jī)械加工，焊縫正面、背面均留有余高，因此焊縫成形要求較高，需保證焊縫正面、背面過渡平滑，避免應(yīng)力集中。

2.3 帶凸臺(tái)，焊后進(jìn)行機(jī)械加工

該種接頭形式使焊接部位內(nèi)外表面均加厚，焊后需進(jìn)行機(jī)械加工去除焊縫正面、背面余高，以保證焊縫正面、背面過渡平滑，但加工后焊接部位仍留有凸臺(tái)。該種接頭形式主要應(yīng)用于焊接面積較小、性能要求較高的部位，如高壓壓氣機(jī)末級(jí)盤與后鼓筒軸之間、高壓渦輪盤與前軸之間等部位的電子束焊縫。

3 轉(zhuǎn)子部件電子束焊焊縫焊后檢查

3.1 轉(zhuǎn)子部件電子束焊縫焊后檢查

商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件電子束焊縫焊后需進(jìn)行目視檢查、熒光檢查及射線檢查。目視檢查轉(zhuǎn)子部件電子束焊縫表面，要求成形良好，不允許存在裂紋、氣孔等缺陷。對(duì)于帶鎖底的電子束焊接頭，完成焊縫凸臺(tái)及鎖底加工后即可進(jìn)行射線檢查[3]，不允許存在裂紋、夾雜、未焊透等缺陷。轉(zhuǎn)子部件的電子束焊縫均是熒光檢查重點(diǎn)部位，對(duì)焊縫區(qū)域的缺陷控制要求較高。

3.2 高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件焊縫內(nèi)表面熒光檢測

高壓壓氣機(jī)盤間距小、盤心孔徑小，均使得焊縫內(nèi)表面的檢查較困難，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件內(nèi)腔的清洗及滲透檢查均是進(jìn)行高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件焊縫內(nèi)表面熒光檢測的難點(diǎn)。進(jìn)行高壓壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件清洗時(shí)，需對(duì)腹板間內(nèi)腔進(jìn)行沖洗，確保內(nèi)腔清洗干凈；清洗并干燥后，將整個(gè)轉(zhuǎn)子組件浸入滲透劑中，并朝不同方向往復(fù)移動(dòng)轉(zhuǎn)子組件，確保組件內(nèi)外表面所有位置均與滲透劑充分接觸。針對(duì)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件焊縫內(nèi)表面的檢查，需采用專用探頭，確保能清晰地觀測到焊縫內(nèi)表面，并能對(duì)缺陷進(jìn)行測量。

4 圍繞商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件電子束焊需開展的研究

電子束焊接已廣泛應(yīng)用于國外商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件，并根據(jù)接頭性能及焊接部位的性能設(shè)計(jì)要求選取了不同的接頭形式。目前，國內(nèi)在這方面與國外差距較大。針對(duì)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求，還需開展以下兩方面研究。

（1）焊接接頭性能數(shù)據(jù)積累。
對(duì)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件常用材料的電子束焊接頭進(jìn)行性能測試，主要包括拉伸、沖擊、扭轉(zhuǎn)、蠕變、持久、疲勞等性能測試，積累接頭性能數(shù)據(jù)，進(jìn)行接頭性能及結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)，為接頭形式設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

（2）焊接接頭形式設(shè)計(jì)研究。
針對(duì)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)長壽命、高可靠性的特點(diǎn)，以及轉(zhuǎn)子部件電子束焊接部位的性能設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行接頭形式設(shè)計(jì)研究，確定焊接部位是否需要加厚及加厚部位的厚度、寬度，以及焊后是否需要對(duì)電子束焊縫正面、背面進(jìn)行加工，確保焊接接頭的可靠性滿足使用要求。

5 結(jié)束語

商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子部件電子束焊接頭提出了長壽命、高可靠性的使用要求，對(duì)電子束焊接頭的設(shè)計(jì)、制造和檢測均提出了較高的要求，需要設(shè)計(jì)人員與工藝人員的充分合作，進(jìn)行接頭性能及結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)，合理地設(shè)計(jì)焊接接頭，制定合適的無損檢測方法及缺陷控制要求。

[1] 韓錄寬. 電子束焊在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇盤組合件中的應(yīng)用.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，1995(2)：37-47.

[2] 康文軍，梁養(yǎng)民. 電子束焊接在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用//中國航空學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.深圳：中國航空學(xué)會(huì)，2007：1-5.

[3] 王一濤. 真空電子束焊及其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2004，30(1)：47-49.