電子束焊接在航空發(fā)動機制造中的應(yīng)用

電子束焊接技術(shù)自上世紀(jì)50年代誕生以來，以其功率密度高、焊接熱輸進(jìn)量小、零件變形小、焊后殘余應(yīng)力小、焊縫深寬比大、焊接接頭無氧化、焊縫質(zhì)量好等特點，廣泛應(yīng)用于航空、航天及原子能等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中。在航空制造業(yè)中，電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用，大大進(jìn)步了飛機發(fā)動機的制造水平，使發(fā)動機中的很多減重設(shè)計及異種材料的焊接成為現(xiàn)實，大大進(jìn)步了發(fā)動機的性能和制造水平，同時為很多整體加工難以實現(xiàn)的零件制造提供了一種加工途徑。隨著現(xiàn)代新型發(fā)動機研制的需要，電子束焊接在該領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，并顯示出很大的優(yōu)越性。

電子束焊接在發(fā)動機風(fēng)扇機匣制造中的應(yīng)用

在航空發(fā)動機低壓風(fēng)扇機匣的制造過程中，為了減輕發(fā)動機的重量，新型發(fā)動機風(fēng)扇機匣采用鈦合金制造，采用機匣外環(huán)與靜子葉片電子束焊接的工藝，簡化了制造工藝，同時在鈦合金的焊接過程中，電子束焊接在真空中進(jìn)行，完全避免了鈦合金在大氣中焊接存在的氧化題目，電子束焊接熱輸進(jìn)量小，零件變形小，可以實現(xiàn)數(shù)控編程一次完成焊接，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好。采用焊接結(jié)構(gòu)大大減輕了風(fēng)扇的重量，為了更進(jìn)一步減重，在保證機匣強度和剛性的情況下，使機匣壁厚減薄。由于機匣焊后其氣流通道無法再進(jìn)行加工，風(fēng)扇機匣的電子束焊接首先要選擇合適的焊接參數(shù)，使鈦合金材料焊接實現(xiàn)單面焊雙面成形，焊接時不能產(chǎn)生嚴(yán)重的焊接飛濺物，且焊縫背面堆高不能太大，否則會對機匣流道中氣體的運動產(chǎn)生影響；然后采用合適的焊接工藝方案及焊接熱處理工裝，確保零件焊后變形最??；最后編制公道可行的數(shù)控程序，完成零件的焊接。采用電子束焊接方法加工的某機一、二、三級機匣使用情況良好。

電子束焊接在壓氣機制造中的應(yīng)用

在壓氣機部件的制造過程中，電子束焊接應(yīng)用更加廣泛。壓氣機轉(zhuǎn)子一般選材為GH4169 材料和鈦合金材料，其主要特點是轉(zhuǎn)速高，每分鐘可達(dá)數(shù)千或數(shù)萬轉(zhuǎn)，鼓盤式轉(zhuǎn)子兼有鼓式轉(zhuǎn)子的抗彎剛性和盤式轉(zhuǎn)子的承受大離心載荷的能力，因而被廣泛采用，尤其是在現(xiàn)代渦扇發(fā)動機的高壓壓氣機上。

在不可拆卸的鼓盤式轉(zhuǎn)子上，通常采用圓柱面緊度配合加徑向銷釘連接和焊接兩種方案，機械連接優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，但是轉(zhuǎn)子的零件多，制造偏差會影響轉(zhuǎn)子的定心和平衡，連接處結(jié)構(gòu)要加寬加厚，會增加轉(zhuǎn)子的重量。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代先進(jìn)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。

焊接的鼓盤式轉(zhuǎn)子不需要連接件，在焊接過程中必須保證組件的同心度和跳動要求，避免了加工和裝配環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的質(zhì)量不穩(wěn)定因素，因而有效地減輕了結(jié)構(gòu)重量，進(jìn)步轉(zhuǎn)子的工作可靠性，但是轉(zhuǎn)子的焊接方法，對焊接技術(shù)有很高的要求，必須保證零件的焊縫質(zhì)量滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)的要求，且焊縫的焊接質(zhì)量應(yīng)十分穩(wěn)定，一條焊縫的質(zhì)量超差，可能造成整個轉(zhuǎn)子無法使用。轉(zhuǎn)子的電子束焊接，要保證精度高，變形小，無氧化，高強度，低殘余應(yīng)力和質(zhì)量穩(wěn)定，這就必須有大型的數(shù)控電子束焊接設(shè)備和成熟的焊接技術(shù)，同時還要靠焊接工裝和公道的工藝來保證。

在壓氣機轉(zhuǎn)子的電子束焊接結(jié)構(gòu)件的制造中，焊接過程中焊縫中易產(chǎn)生氣孔缺陷，尤其是鈦合金，由于轉(zhuǎn)子件焊接級數(shù)較多，加之零件的生產(chǎn)本錢較高，因此焊接一般情況下要確保一次成功。由于焊后襯底在探傷前進(jìn)行了往除，一旦焊縫中出現(xiàn)缺陷（如氣孔）通過一次補焊很難徹底消除，轉(zhuǎn)子件焊前應(yīng)對焊接參數(shù)的公道性在模擬件上進(jìn)行驗證，為了防止氣孔的產(chǎn)生，焊接接頭的襯底上應(yīng)加工排氣槽，接頭焊前清洗應(yīng)十分干凈，再根據(jù)材料的不同對接頭進(jìn)行相應(yīng)的化學(xué)和機械清理；焊接過程中采用穿透焊接，有利于消除氣孔缺陷但要做好焊接飛濺物的防護(hù)工作，且焊接熱輸進(jìn)較大，零件易變形；采用非穿透焊接，必須將焊接中產(chǎn)生的缺陷盡可能深地引進(jìn)到焊接襯底中往，隨后將襯底往除，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題目，零件的變形也易控制。由于零件焊接后內(nèi)部一些形面無法加工，因而轉(zhuǎn)子件對焊后的同心度，焊接收縮量和跳動值有非常嚴(yán)格的要求，必須從焊接工藝方法上，焊接及熱處理工裝上采取措施，防止轉(zhuǎn)子的變形。

為了進(jìn)一步減輕轉(zhuǎn)子件的結(jié)構(gòu)重量，現(xiàn)代先進(jìn)的發(fā)動機已采用整體葉盤制造技術(shù)，根據(jù)加工的難易程度和經(jīng)濟性采用整體加工或線性摩擦焊連接盤與葉片，大大減輕了連接處的重量，盤與盤之間的連接采用電子束焊接工藝。該技術(shù)在西方國家的軍民用飛機發(fā)動機壓氣機轉(zhuǎn)子上已經(jīng)采用，我國正在加快這方面的技術(shù)攻關(guān)和研究工作。

電子束焊接在渦輪制造中的應(yīng)用

在燃?xì)鉁u輪部分，盤軸采用電子束焊或摩擦焊連接是一種最簡單的不可拆卸結(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，在工作過程中存在很大的扭轉(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。國內(nèi)在某型靶機的發(fā)動機中就采用電子束焊接工藝，將1Cr11Ni2W2MoV材料的渦輪軸和K418材料的精鑄葉盤焊接為一體。在某型機低壓渦輪軸的生產(chǎn)過程中，也曾采用電子束焊接將GQGH4169材料的軸連接起來。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)，必須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(yīng)力較小、壁厚較薄的位置。

在渦輪導(dǎo)向葉片的制造過程中，由于導(dǎo)向葉片除受到較大的氣動力與不穩(wěn)定的脈動負(fù)荷外，還處于高溫燃?xì)獾陌鼑?，溫度高，冷熱變化大，溫度不均勻情況很嚴(yán)重，熱沖擊和熱疲憊成為葉片失效的主要原因之一。因此，導(dǎo)向葉片一般做成單個的或兩葉、三葉組，便于裝配、定位和公差控制，損壞后也易更換。導(dǎo)向葉片的材料為鑄造高溫合金，材料價格昂貴，這類材料的材質(zhì)很硬，采用精密鑄造，為了增強葉片的冷卻效果，進(jìn)步工作質(zhì)量，一般做成空心葉片。在TAY及WS9發(fā)動機上，高壓渦輪導(dǎo)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，焊接厚度范圍在2～12mm之間變化，需由同一參數(shù)一次完成焊接，且要求焊縫為Ⅲ級，葉片焊縫中易產(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)生與材料中Al、Ti及雜質(zhì)元素的含量較高有關(guān)。為了更進(jìn)一步進(jìn)步發(fā)動機渦輪前工作溫度，現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動機已采用很多新型耐受更高溫度的材料，如現(xiàn)在某機所用的Ni3Al基的IC10材料定向結(jié)晶鑄造的渦輪導(dǎo)向葉片，其工作溫度為1100℃，由T LP擴散焊焊成兩葉組使用。該材料采用熔焊方法易產(chǎn)生焊接裂紋。

電子束焊接在燃燒室制造中的應(yīng)用

在發(fā)動機燃燒室的加工制造過程中，電子束焊接得到了更多的應(yīng)用。燃燒室部件是發(fā)動機中承受熱負(fù)荷最大的部件，重量要輕。燃燒室部件易出現(xiàn)故障，危及自身及其他部件。因此對燃燒室部件的制造質(zhì)量要求較高。在燃燒室機匣的制造中，采用電子束焊接工藝將安裝邊與鈑金件焊接起來，大大節(jié)約了材料。現(xiàn)代發(fā)動機多采用環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，其燃燒室內(nèi)外機匣均采用電子束焊接結(jié)構(gòu)，一般為GH4169材料，多為薄壁件，焊接時保證焊縫質(zhì)量滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ級要求。電子束焊接完成燃燒室外機匣、前置擴壓器和內(nèi)機匣的連接。在某機機匣內(nèi)套的生產(chǎn)中，涉及GH141材料的電子束焊接，焊后在焊接接頭區(qū)域發(fā)現(xiàn)微裂紋。針對此情況，分析判定其為應(yīng)變時效裂紋，焊前對GH141材料進(jìn)行時效處理，并從焊接工藝、工裝等方面著手，控制焊后應(yīng)力，解決了焊接裂紋題目?；鹧嫱驳闹圃齑罅坎捎昧穗娮邮附庸に?。實現(xiàn)外壁與頭部及帽罩的焊接。由于結(jié)構(gòu)原因，電子束焊接要控制焊接熱輸進(jìn)量，防止零件變形，根據(jù)零件的具體結(jié)構(gòu)，有些情況下須采用非穿透焊接工藝，防止焊接過程中產(chǎn)生的飛濺物和焊瘤對發(fā)動機的使用造成影響。

電子束焊接在其他組件制造中的應(yīng)用

液壓作動筒在發(fā)動機上調(diào)節(jié)尾噴管的噴口大小，屬于發(fā)動機上的關(guān)鍵件。在某機液壓作動筒的制造過程中，活塞上裝有橡膠密封圈，采用電子束焊接將蓋和襯筒連接起來。由于液壓作動筒壁厚較小，焊接過程中必須嚴(yán)格控制焊接變形，以確?；钊谕搀w中的自由往復(fù)運動；焊接過程中，零件的溫升必須要小，保證焊接熱循環(huán)對活塞上的密封圈質(zhì)量無影響；另外，在保證有效焊接截面完全焊透的情況下筒體中無焊接飛濺物，這就必須從焊接接頭的設(shè)計上著手解決。在液壓作動筒的焊接過程中，必須選擇較小的焊接熱輸進(jìn)量，采用局部焊透工藝和用銅激冷塊帶走焊接熱量的方法。

發(fā)動機傳動齒輪制造中，采用電子束焊接方法，將齒輪環(huán)與齒輪軸焊接起來，解決了齒輪軸加工過程中插齒、磨齒的困難。齒輪軸焊接過程中，軸和齒環(huán)采用過盈裝配，氣孔是其焊縫中最易產(chǎn)生的缺陷，加大焊接襯底的厚度，并加開放氣槽，將焊接產(chǎn)生的氣孔盡可能深地引進(jìn)襯底中，焊后機加工往除，能很好地解決氣孔缺陷。另外，應(yīng)對焊接接頭背面的齒輪進(jìn)行保護(hù)，防止焊接殘余電子束的擊傷。用此方法焊接的某型機12Cr2N i4A材料的傳動齒輪，焊縫質(zhì)量滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)的要求，且焊后齒輪軸的尺寸和跳動符合設(shè)計圖。

結(jié)束語

隨著飛機發(fā)動機科研生產(chǎn)的需要，西安航空發(fā)動機公司近年引進(jìn)了3臺進(jìn)口數(shù)控高壓真空電子束焊機，真空室尺寸為1.5m3、5.5m3和36m3，同時對原有的一臺0.7m3的德國產(chǎn)電子束焊機進(jìn)行了大修改造。公司承擔(dān)著繁重的飛機發(fā)動機科研試制和批產(chǎn)任務(wù)，主要包括一、二、三級風(fēng)扇機匣、多種高低壓壓氣機轉(zhuǎn)子、高壓渦輪機匣、燃燒室機匣、火焰筒組件等大約180多種零件，涉及不銹鋼、高溫合金及鈦合金等很多材料，焊接產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，滿足了部隊裝機需要，考核試驗未出現(xiàn)焊接質(zhì)量題目。先后攻克了鈦合金材料電子束焊接的氣孔題目，GH14材料焊后的裂紋題目等很多技術(shù)困難，焊接技術(shù)氣力雄厚，為今后我國大型軍民用飛機發(fā)動機研制和批產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)。