電子束焊在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用

馬宇

摘 要：作為航空制造業(yè)發(fā)展不可或缺的技術(shù)，電子束焊接技術(shù)能夠在很大程度上提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造水準(zhǔn)。該技術(shù)的普及將發(fā)動(dòng)機(jī)中多種材料的輕量化以及無(wú)縫焊接化成為現(xiàn)實(shí)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體制造流程提供了新的思路。本文介紹了電子束焊接技術(shù)在風(fēng)扇機(jī)匣、壓縮機(jī)、渦輪制造以及燃燒室制造等工藝流程中的應(yīng)用，以期為工業(yè)技術(shù)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：電子束焊;航空工業(yè);發(fā)動(dòng)機(jī)

引言

從上世紀(jì)中葉興起的電子束焊接技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)，該技術(shù)以其功率密度高、零件不易變形、焊接殘余應(yīng)力小且焊縫優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)牢牢占據(jù)著航空制造業(yè)的核心技術(shù)地位，在其他焊接技術(shù)面前顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。

1.風(fēng)扇機(jī)匣制造中的電子束焊接

為了將發(fā)動(dòng)機(jī)的重量控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，就應(yīng)該在制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程中引入新型材料與先進(jìn)技術(shù)，使用鈦合金作為風(fēng)扇機(jī)匣的原料，采用外殼外圈與定子葉片之間的電子束焊接技術(shù)，簡(jiǎn)化了制造過(guò)程。電子束焊接熱輸入小且零件變形小，可實(shí)現(xiàn)一次數(shù)控編程完成焊接。除此之外，該技術(shù)生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好。為了進(jìn)一步減輕重量，在保證變速箱強(qiáng)度和剛度的前提下，將變速箱壁厚減至2mm。

由于風(fēng)機(jī)機(jī)殼的風(fēng)道在焊接后無(wú)法加工，首先要選擇合適的焊接工藝參數(shù)，使鈦合金材料能夠焊接成單面焊和雙面成形。在焊接過(guò)程中，不能產(chǎn)生嚴(yán)重的焊接飛濺，焊縫背面不能太高，否則會(huì)影響機(jī)殼空氣流道內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)。因此，采用適當(dāng)?shù)暮附庸に嚪桨负秃负鬅崽幚砉ぱb，保證焊后零件變形最小。最后，編制合理可行的數(shù)控程序，完成零件的焊接。

2.壓縮機(jī)制造中的電子束焊接

在進(jìn)行壓縮機(jī)零部件的制造時(shí)，電子束焊接技術(shù)的用武之地同樣很多。其中，壓縮機(jī)中的轉(zhuǎn)子通常是由GH4169材料與鈦合金組成，該轉(zhuǎn)子的主要特點(diǎn)就是速度非?？欤糠昼姷霓D(zhuǎn)速在幾千到幾萬(wàn)。機(jī)械連接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)子零件多，制造偏差會(huì)影響轉(zhuǎn)子的對(duì)中和平衡，連接結(jié)構(gòu)應(yīng)加寬加厚以增加轉(zhuǎn)子的重量。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的焊接方法越來(lái)越多，轉(zhuǎn)子的焊接一般采用電子束焊和摩擦焊。

焊接的鼓盤轉(zhuǎn)子不需要連接件。在焊接過(guò)程中，必須保證各部件的同心度和跳動(dòng)量要求，從而有效減輕結(jié)構(gòu)重量，提高轉(zhuǎn)子的工作可靠性。然而，轉(zhuǎn)子的焊接方法對(duì)焊接工藝有很高的要求。零件的焊接質(zhì)量必須保證達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求，其焊接質(zhì)量應(yīng)非常穩(wěn)定。一個(gè)焊縫的質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)子無(wú)法使用。因此，必須要提高焊接技術(shù)水平，從而確保高精度、小變形、無(wú)氧化、高強(qiáng)度、低殘余應(yīng)力和穩(wěn)定的質(zhì)量。由此可知，轉(zhuǎn)子的電子焊接必須有大型數(shù)控電子束焊接設(shè)備和成熟的焊接工藝，還要依靠焊接工裝和合理的工藝。

在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子電子束焊接結(jié)構(gòu)件的制造中，焊縫容易產(chǎn)生氣孔缺陷，尤其是鈦合金。由于轉(zhuǎn)子零件的焊接階段多，生產(chǎn)成本高，一般需要保證焊接成功。由于焊后探傷前基體被去除，一旦焊縫中出現(xiàn)缺陷（如氣孔），一次性補(bǔ)焊很難完全消除。轉(zhuǎn)子零件焊接前，應(yīng)在模擬件上驗(yàn)證焊接工藝參數(shù)的合理性。為防止氣孔的產(chǎn)生，在焊接接頭的基體上加工排氣槽，焊接前應(yīng)將接頭清洗干凈，然后根據(jù)不同材料對(duì)接頭進(jìn)行化學(xué)和機(jī)械清洗。焊接過(guò)程中采用熔透焊接，有利于消除氣孔缺陷，但要做好焊接飛濺的防護(hù)工作，焊接熱輸入大，零件易變形。在非熔透焊接中，必須將焊接過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷盡可能深地引入到焊接基體中，然后在不改變焊接工藝的情況下去除基體為保證焊接質(zhì)量，應(yīng)將基體加厚并焊接到基體背面進(jìn)行微熔透，使其不產(chǎn)生飛濺燒傷和粘附問(wèn)題，且零件變形易于控制。

由于有些零件的內(nèi)表面焊后不能加工，轉(zhuǎn)子零件焊后的同心度、焊接收縮率和跳動(dòng)值都非常嚴(yán)格。因此，必須從焊接工藝、焊接和熱處理工裝等方面采取措施，防止轉(zhuǎn)子變形為了進(jìn)一步減輕轉(zhuǎn)子零件的結(jié)構(gòu)重量。現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了整體葉盤的制造技術(shù)，使葉盤與葉片之間的連接根據(jù)加工難度和經(jīng)濟(jì)性采用整體加工或線性摩擦焊接連接，大大減輕了轉(zhuǎn)子零件的重量。盤與盤的連接采用電子束焊接技術(shù)，該技術(shù)已在西方國(guó)家的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上得到應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究工作進(jìn)程正在加快。

3.渦輪制造中的電子束焊

在燃?xì)廨啓C(jī)部件中，盤軸采用電子束焊接或摩擦焊連接，是最簡(jiǎn)單的不可拆卸結(jié)構(gòu)，中間沒(méi)有連接且重量最輕。但由于汽輪機(jī)部分是軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部分，在工作過(guò)程中承受較大的扭轉(zhuǎn)載荷，焊接時(shí)必須保證盤、軸的同心度和跳動(dòng)量要求，因此對(duì)焊接接頭的質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。

與整體結(jié)構(gòu)相比，焊接結(jié)構(gòu)降低了加工難度，節(jié)省了材料且經(jīng)濟(jì)性好。國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪采用電子束焊接結(jié)構(gòu)盤，軸的焊接結(jié)構(gòu)必須考慮各種工況下不同材料焊接接頭的影響，在汽輪機(jī)導(dǎo)葉的制造過(guò)程中，焊接接頭的位置應(yīng)盡量放在應(yīng)力小、壁厚薄的位置。因?yàn)樗粌H承受著較大的氣動(dòng)力和不穩(wěn)定的脈動(dòng)載荷，而且被高溫氣體所包圍，具有高溫、冷熱變化大、溫度不均勻性嚴(yán)重等特點(diǎn)，熱沖擊和熱疲勞成為葉片失效的主要原因之一。在這種情況下，導(dǎo)葉一般做成單葉或雙葉、三葉組，便于裝配、定位和公差控制，損壞后便于更換。導(dǎo)葉材料為鑄造高溫合金，這種材料很硬且價(jià)格昂貴。為了提高葉片的冷卻效果，提高葉片的工作質(zhì)量，一般采用空心葉片。為了進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前的工作溫度，現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了許多耐溫性較高的新材料。

4.燃燒室制造中的電子束焊

在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的制造過(guò)程中，電子束焊接得到了廣泛的應(yīng)用。燃燒室部件是發(fā)動(dòng)機(jī)中熱負(fù)荷最大、重量輕的部件，燃燒室部件容易發(fā)生故障，危及自身及其它部件的安全。因此在燃燒室殼體的制造中，要求燃燒室部件的制造質(zhì)量較高，采用電子束焊接的方法將安裝邊緣與鈑金件焊接在一起，大大節(jié)省了材料?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，燃燒室和外殼采用電子束焊接結(jié)構(gòu)。焊接時(shí)一般采用GH4169材料，多為薄壁件，從而保證焊縫質(zhì)量達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)要求。焊縫前后側(cè)均采用成型良好的電子束焊接，完成燃燒室殼體、前擴(kuò)壓器和內(nèi)部的連接彈殼。在齒輪箱內(nèi)殼的生產(chǎn)中，涉及GH141材料的電子束焊接，焊接后在焊接接頭處發(fā)現(xiàn)微裂紋。針對(duì)這種情況，分析判斷為應(yīng)變時(shí)效裂紋。由于電子束焊接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)控制電子束焊接的熱輸入，防止零件變形根據(jù)零件的具體結(jié)構(gòu)，在某些情況下，為了防止焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺和焊瘤影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，必須采用非熔透焊接工藝。

5.其他組件制造中的電子束焊

液壓執(zhí)行器調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的尺寸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件。由于液壓缸壁厚小，在焊接過(guò)程中，首先要嚴(yán)格控制焊接變形，保證缸內(nèi)活塞的自由往復(fù)運(yùn)動(dòng);其次，零件的溫升必須很小，以確保焊接熱循環(huán)對(duì)活塞密封圈的質(zhì)量沒(méi)有影響;第三，在確保有效焊接段完全焊接的情況下，氣缸內(nèi)沒(méi)有焊接飛濺，這必須從焊接接頭的設(shè)計(jì)上解決;第四，選擇較小的焊接熱輸入量，采用局部熔透工藝和用銅冷鐵塊帶走焊接熱的方法是必要的。

結(jié)論

隨著飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)壓力的加大，相關(guān)行業(yè)承擔(dān)著飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)、試制和批量生產(chǎn)的重任，主要包括一、二、三級(jí)風(fēng)機(jī)機(jī)殼等180多種零部件，各種高低壓壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓渦輪機(jī)殼、燃燒室機(jī)殼、火焰筒組件等，涉及不銹鋼、高溫合金、鈦合金等多種材料，焊接產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，滿足軍事安裝需要。評(píng)定試驗(yàn)無(wú)焊接質(zhì)量問(wèn)題。先后解決了鈦合金材料電子束焊接中的氣孔、焊后GH141材料的裂紋等技術(shù)問(wèn)題，焊接技術(shù)力量雄厚，今后將用于我國(guó)大型軍用和民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王亞軍， 馬翔生. 電子束焊接在原蘇聯(lián)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)， 1993（1）：26-28.

[2] 康文軍， 梁養(yǎng)民. 電子束焊在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械制造文摘（焊接分冊(cè)）， 2012（5）：30-33.