高壓壓氣機(jī)整流器真空釬焊工藝研究

羅運(yùn)芬

Abstract： In this paper， the vacuum brazing process between the high pressure compressor rectifier outer ring （precipitation hardening stainless steel） and blade （martensitic stainless steel）， as well as the filler metal mode， reasonable process parameters and deformation problems in the brazing process are studied， and the improvement scheme is put forward. The actual products are tested. According to the product inspection requirements， the products are tested after welding. The results of hardness test and deformation test show that the improved process method can meet the product quality and greatly improve the production efficiency.

關(guān)鍵詞：高壓壓氣機(jī)整流器;真空釬焊;變形控制

Key words： high pressure compressor rectifier;vacuum brazing;deformation control

中圖分類(lèi)號(hào)：U263.12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0140-03

0 ?引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是釬焊應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一，航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力大，燃油溫度高，使用的結(jié)構(gòu)材料多為不銹鋼、鋁、鈦含量較高的高溫合金，它們的熔焊性能一般較差，因此主要依靠真空或保護(hù)氣氛爐進(jìn)行釬焊連接[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)、機(jī)匣、燃燒室等部件均采用焊接結(jié)構(gòu)，本文研究的高壓壓氣機(jī)整流器是焊接結(jié)構(gòu)中的一種類(lèi)型。高壓壓氣機(jī)整流器由外環(huán)與葉片焊接而成，是發(fā)動(dòng)機(jī)中高壓壓氣機(jī)機(jī)匣靜子部分的重要零件之一，主要作用是對(duì)氣流進(jìn)行梳理和擴(kuò)壓，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，其工作狀態(tài)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能和穩(wěn)定性，精度要求非常高。

1 ?釬焊概述

釬焊是指低于焊件熔點(diǎn)的釬料和焊接同時(shí)加熱至釬料熔化溫度后，利用液態(tài)釬料填充至固態(tài)零件的焊縫處，使得金屬連接的焊接方法。釬焊時(shí)，首先要去除母材接觸面上的氧化膜和油污，有利于毛細(xì)在釬料溶化后發(fā)揮作用，增加釬料的潤(rùn)濕性和毛細(xì)流動(dòng)性。根據(jù)釬料的熔化點(diǎn)的不同，釬焊又分為硬釬焊和軟釬焊[2]。

真空釬焊是被焊零件放置在真空氣氛中不用施加釬劑而連接零件的一種工藝方法，可以釬焊那些用一般方法難以連接的材料和結(jié)構(gòu)，得到光潔致密，具有優(yōu)良力學(xué)性能和抗腐蝕性能的釬焊接頭[3]。釬焊變形小，焊縫光滑美觀，適合于焊接精密、復(fù)雜和由不同材料組成的零件。釬焊前對(duì)工件必須進(jìn)行細(xì)致加工和嚴(yán)格清洗，除去油污和氧化膜，保證焊縫處的光潔度以及間隙，間隙一般要求在0.01～0.1mm之間。

2 ?零件釬焊結(jié)構(gòu)及工藝要求

零件的結(jié)構(gòu)如圖1所示 由外環(huán)與葉片組成，焊接位置為葉片葉冠與外環(huán)如圖所示的接觸面，其外環(huán)材料為沉淀硬化不銹鋼，葉片為馬氏體不銹鋼。加工外環(huán)時(shí)，在外環(huán)上按葉片裝配尺寸加工葉片槽，為了保證葉片與外環(huán)上的葉型孔具有良好的配合，外環(huán)上的葉片槽加工精度非常高。其技術(shù)難點(diǎn)在于：零件的結(jié)構(gòu)為懸臂式結(jié)構(gòu)，葉片與外環(huán)的連接方式為搭接，葉片搭接處尺寸公差較大，裝配過(guò)程中間隙難以控制在釬焊間隙范圍內(nèi)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、填充釬料困難、釬料熔化溫度高、釬焊變形難以控制、釬焊質(zhì)量難以保證，焊接后的熱處理需要兼顧兩種不同材料的力學(xué)性能。

3 ?零件的釬焊工藝

根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、釬焊要求及加工精度要求，其釬焊的工藝要點(diǎn)包括：表面清潔、定位方式、間隙控制、釬料的填充方式，為此制定工藝路線為：集件、檢查→間隙控制→清洗→裝配→氬弧焊定位焊→表面處理→填充釬料→烘干→真空釬焊→熱處理→檢驗(yàn)。

3.1 釬焊前的準(zhǔn)備工作

3.1.1 集件、檢查

按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行集件，并檢查零件上應(yīng)無(wú)磕碰傷、銹蝕等缺陷。

3.1.2 釬焊間隙控制

釬焊間隙是在焊件之間的裝配間隙，釬焊間隙的大小不僅在很大程度上決定釬焊縫的性能，而且也是影響釬焊工藝執(zhí)行的難易程度。

該零件采用試裝配方式控制釬焊間隙，釬焊時(shí)是依靠毛細(xì)作用使釬料填滿(mǎn)間隙，在焊縫周?chē)纬梢?guī)整的釬角，因此正確選擇焊縫問(wèn)隙很大程度上影響焊縫的致密性和強(qiáng)度。不同的釬料對(duì)焊縫間隙的要求也有所不同，該零件使用的釬料為HBNi82CrSiB鎳基釬料，鎳基釬料要求焊縫間隙為0.02～0.1mm，這是因?yàn)镠BNi82CrSiBFe鎳基釬料含有3%左右的硼，4.5%左右的硅，釬焊時(shí)可以形成脆性相的元素，為保證焊縫的性能，應(yīng)盡量使這些元素在焊縫內(nèi)通過(guò)擴(kuò)散作用而降低到最低程度。當(dāng)間隙小時(shí)，這些脆性相元素?cái)?shù)量少，向母材擴(kuò)散的距離短，可以通過(guò)擴(kuò)散使得這些元素在焊縫中濃度降低。從而避免產(chǎn)生脆性相，提高釬焊強(qiáng)度。有關(guān)資料表明：當(dāng)間隙為0mm、0.05mm、0.1mm、0.15mm時(shí)，脆性隨著間隙的增加而增大。間隙在0.15時(shí)，脆性相最多，并形成明顯的連續(xù)層，焊縫的強(qiáng)度嚴(yán)重下降，因此焊縫最佳間隙應(yīng)控制在0.02mm～0.1mm之間。

采用試裝配時(shí)方法可以控制焊縫的間隙。試裝配時(shí)，在葉片緣板與整流器外環(huán)之間塞≤0.1mm的不銹鋼薄片使得葉片緣板與整流器外環(huán)間隙的間隙均布，間隙超出0.1mm時(shí)，需要重新選配葉片;出現(xiàn)緊度時(shí)，調(diào)整不銹鋼鋼箔的厚度，保證間隙越小越好，有利于提高釬焊質(zhì)量要求，并記錄葉片裝配順序。

3.1.3 表面處理

裝配前，清除零件表面油污、臟物是釬料和母材相互潤(rùn)濕、擴(kuò)散填充釬縫的前提條件。零件在周轉(zhuǎn)過(guò)程中容易出油污、臟物，如果表面不干凈，釬焊加熱過(guò)程中極易在表面生成一層氧化物，阻礙釬料流動(dòng)潤(rùn)濕，因此釬焊前，采用超聲波清洗后，再采用非氯化物的溶劑（如丙酮、酒精）進(jìn)行整體擦洗，然后采用冷水或熱水沖洗。清洗干凈的零件采用烘干箱或吹風(fēng)機(jī)將零件表面烘干。

3.1.4 裝配

根據(jù)試裝配后標(biāo)記的葉片順序，裝配葉片至整流器外環(huán)上，檢查葉片緣板與整流器外環(huán)之間的間隙≤0.1mm，間隙≤0.02mm時(shí)，允許輕微銼修葉片緣板。

3.1.5 氬弧焊定位焊

按試裝配時(shí)標(biāo)記的葉片順序裝配葉片至整流器外環(huán)槽內(nèi)，并在葉片緣板處加塞≤0.1mm的不銹鋼薄片，已提升葉片緣板與整流器外環(huán)之間間隙的均勻性，裝配完成后，采用氬弧焊點(diǎn)焊方式將葉片定位至整流器外環(huán)槽內(nèi)，防止釬焊過(guò)程中松動(dòng)，影響釬焊質(zhì)量。氬弧焊接時(shí)，采用對(duì)稱(chēng)焊接方式進(jìn)行，可減少焊接變形，焊疤尺寸應(yīng)控制在2～3mm范圍內(nèi)，過(guò)大的焊瘤影響后續(xù)添加釬料，從而導(dǎo)致釬料不足，影響釬焊質(zhì)量以及機(jī)械加工后質(zhì)量;反之，焊瘤較小，起不到點(diǎn)位定位作用，葉片容易松動(dòng)、開(kāi)裂，對(duì)釬焊不利，需要補(bǔ)焊。

3.1.6 清洗

對(duì)氬弧焊定位點(diǎn)焊的葉片與整流器外環(huán)采用非氯化物的溶劑（如丙酮、酒精）進(jìn)行整體擦洗，然后采用冷水或熱水沖洗。

3.1.7 填充釬料

釬料的填充原則是應(yīng)盡可能利用釬料熔化后自身的重力作用和焊縫的毛細(xì)作用來(lái)促進(jìn)釬料填滿(mǎn)間隙。

填充釬料前，檢查釬焊縫間隙應(yīng)符合工藝要求，將膏狀釬料或用丙酮調(diào)稀的粘帶狀釬料裝入圖2所示的注射器后填充至葉片與整流器外環(huán)焊接處，填充釬料時(shí)，應(yīng)保證釬料均勻一致，釬料的填充量應(yīng)填滿(mǎn)間隙處，并形成合適且均勻一致的高度和寬度。釬料填充好后，清理掉非釬焊部位多余釬料，并在釬焊處周?chē)糠笞枇鲃乐光F料在釬焊過(guò)程中流淌至非釬焊部位。

3.1.8 烘干

將填充好釬料的零件放入烘干箱內(nèi)對(duì)釬料的粘接膠進(jìn)行烘干，溫度為130～150℃，時(shí)間1～2h，防止釬料中粘接用的膠在釬焊過(guò)程中揮發(fā)，影響釬焊質(zhì)量。

3.2 真空釬焊

①將零件放入平面度≤0.1mm的夾具上，并在夾具與零件的接觸面涂敷阻流劑，防止釬焊過(guò)程中，釬料流淌，將零件與夾具粘連在一起。

②釬焊工藝參數(shù)：零件裝爐后，抽真空至≤4×10-2P后，開(kāi)始加熱升溫，然后以低于10℃/min左右的升溫速度加熱至500℃～600℃之間的某一溫度段保溫一定時(shí)間，有利于粘接膠揮發(fā)以及零件內(nèi)外溫度均勻一致，減少零件變形，保溫結(jié)束后再以10℃/min左右的升溫速度加熱至900℃～1000℃之間的某一溫度段保溫一定時(shí)間，再以10℃/min左右的的升溫速度加熱至釬焊溫度保溫一定時(shí)間，待釬焊充分熔化、鋪展后，隨爐冷卻至950℃左右，待釬料凝固后，充氬氣并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)快速冷卻至200℃以下出爐空冷。

3.3 熱處理

零件為不銹鋼材料，釬焊相當(dāng)于淬火，應(yīng)立即進(jìn)行回火熱處理，一方面為了消除釬焊（淬火）時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂，另一方面調(diào)整零件硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性達(dá)到使用性能的要求、改善和提高加工性能等，因此回火是零件獲得所需性能必不可少的工序。

4 ?檢驗(yàn)

釬焊后，對(duì)零件的釬焊質(zhì)量以及變形、硬度等進(jìn)行檢驗(yàn)，其焊縫質(zhì)量非常好，硬度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但是零件整體變形非常嚴(yán)重，由于零件內(nèi)徑無(wú)加工余量，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且零件局部與夾具粘連，無(wú)法正常取出零件，需要采用破壞夾具保零件，不僅影響產(chǎn)品交付，制約著某型機(jī)的研制，對(duì)于釬焊的工裝浪費(fèi)大，為此我們從釬焊過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析、改進(jìn)影響因素，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

5 ?存在問(wèn)題分析及改進(jìn)措施

5.1 零件釬焊變形的原因分析以及改進(jìn)措施

根據(jù)零件的檢驗(yàn)結(jié)果，我們從零件結(jié)構(gòu)、材料、釬焊過(guò)程以及使用夾具等方面查找導(dǎo)致零件變形超差因素。

5.1.1 變形原因分析

①零件結(jié)構(gòu)。該零件為環(huán)形件，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，在外環(huán)的中間部位加工了周向凹槽以及沿著凹槽的徑向方向加工了葉片裝配型面，機(jī)型加工應(yīng)力大，其形狀復(fù)雜，且預(yù)留加工余量大，且在加工后未對(duì)零件進(jìn)行除機(jī)加應(yīng)力處理，導(dǎo)致釬焊加熱過(guò)程中應(yīng)力釋放產(chǎn)生變形。

②材料分析。零件外環(huán)材料為不銹鋼，由于使用釬料的釬焊溫度相當(dāng)于該材料的淬火溫度，為了滿(mǎn)足材料的力學(xué)性能，冷卻過(guò)程中采用充氬氣風(fēng)機(jī)攪拌快速冷卻，導(dǎo)致零件變形。

③釬焊工藝。釬焊過(guò)程是一種特殊的熱處理，加熱過(guò)程以及冷卻過(guò)程中，其加熱過(guò)程中加熱不均以及充氬氣并攪拌風(fēng)機(jī)的快速冷卻方式等也會(huì)導(dǎo)致零件變形。

④使用夾具情況。由于零件在釬焊過(guò)程中采用夾具限制變形量，極易發(fā)生釬料熔化后流淌至與零件的接觸面，導(dǎo)致零件與夾具焊接粘連、零件被脹大、碰傷葉片等風(fēng)險(xiǎn);因此釬焊過(guò)程中未使用夾具控制變形。為此在回火時(shí)，設(shè)計(jì)了一種外頂式校正回火夾具，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示，采用的校正方式為回火時(shí)帶夾具校正方式，采用產(chǎn)品進(jìn)行校正回火試驗(yàn)后，檢驗(yàn)其變形情況，發(fā)現(xiàn)不僅未達(dá)到校正效果，零件的結(jié)構(gòu)變成S形，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5.1.2 改進(jìn)措施

①整流器外環(huán)零件在加工周向凹槽以及沿著凹槽的徑向方向加工了葉片裝配型面后，由于加工產(chǎn)生較大的機(jī)加應(yīng)力，為此增加了一道除應(yīng)力處理工序，有效去除了因加工凹槽產(chǎn)生的機(jī)加應(yīng)力。

②根據(jù)零件的特點(diǎn)，釬焊時(shí)，采用夾具可以抑制應(yīng)力釋放導(dǎo)致巨力變形，另一方面，冷卻過(guò)程中，夾具可以輕微阻止充氣冷卻風(fēng)壓，為此根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，膨脹系數(shù)原理，選擇的夾具的剛性應(yīng)大于釬焊零件材料，這樣在釬焊過(guò)程中，焊件的變形始終收夾具的限制，為此通過(guò)研究，設(shè)計(jì)出了夾具的最佳尺寸，夾具尺寸為零件的名義尺寸加0.5mm～1.0mm（見(jiàn)圖4所示）。

③我們通過(guò)熱循環(huán)工藝試驗(yàn)，將采用不大于5℃/min的升溫速率進(jìn)行加熱，使零件的焊接應(yīng)力緩慢均勻地釋放，同時(shí)使零件受熱升溫均勻，避免熱應(yīng)力和焊接應(yīng)力不均而造成過(guò)大的圓度。

④為此根據(jù)該整流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種內(nèi)撐式的校正回火夾具（見(jiàn)圖5所示），夾具設(shè)計(jì)制造的材料與整流器外環(huán)膨脹系數(shù)相類(lèi)似材料制造。雖然釬焊變形有很大改善，由于設(shè)計(jì)的內(nèi)撐式夾具的配合尺寸僅比零件名義尺寸小0.3mm，故釬焊后變形的零件以裝入夾具中，為此我們研究了一種加熱零件至200℃～300℃保溫一定時(shí)間后，零件膨脹后裝入底座中，蓋上上壓板，采用楔子將零件緊緊卡入上壓板與底座之間，便于回火加熱時(shí)，零件產(chǎn)生塑性變形過(guò)程，將零件校圓。

5.2 零件局部與夾具粘連原因分析及改進(jìn)措施

零件釬焊時(shí)，平放在夾具上，由于零件釬焊處距離夾具端面較近，且該釬料的潤(rùn)濕性非常好，雖然采用了阻流劑，但是釬料在高溫下融化后重力作用流淌至夾具端面上，導(dǎo)致夾具與零件粘連，為了防止零件與夾具粘連，我們采用在夾具上噴涂一層化學(xué)性質(zhì)不活潑、高熔點(diǎn)、高電阻率、低膨脹系數(shù)的氧化鋯，有效防止零件與夾具粘連。

6 ?實(shí)施效果

根據(jù)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行原因分析，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，統(tǒng)計(jì)了后續(xù)產(chǎn)品的加工記錄，零件變形情況得到大大改善，采用合理的夾具，可有效提高了生產(chǎn)效率，為某型機(jī)的研制奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

7 ?結(jié)論

①制定合理的工藝路線可獲得符合設(shè)計(jì)要求的釬焊質(zhì)量。

②采用合理的釬焊工藝參數(shù)，能夠滿(mǎn)足整流器真空釬焊要求。

③采用合理校正回火夾具，可有效控制零件變形，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

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