電子束焊接在航空發(fā)動機制造中的應用

電子束焊接技術自上世紀50年代誕生以來，以其功率密度高、焊接熱輸進量小、零件變形小、焊后殘余應力小、焊縫深寬比大、焊接接頭無氧化、焊縫質量好等特點，廣泛應用于航空、航天及原子能等產業(yè)領域中。在航空制造業(yè)中，電子束焊接技術的應用，大大進步了飛機發(fā)動機的制造水平，使發(fā)動機中的很多減重設計及異種材料的焊接成為現(xiàn)實，大大進步了發(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，電子束焊接在該領域的應用日益廣泛，并顯示出很大的優(yōu)越性。

電子束焊接在發(fā)動機風扇機匣制造中的應用

在航空發(fā)動機低壓風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，生產效率高，焊接質量好。采用焊接結構大大減輕了風扇的重量，為了更進一步減重，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行加工，風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，焊接時不能產生嚴重的焊接飛濺物，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用

在壓氣機部件的制造過程中，電子束焊接應用更加廣泛。壓氣機轉子一般選材為GH4169 材料和鈦合金材料，其主要特點是轉速高，每分鐘可達數(shù)千或數(shù)萬轉，鼓盤式轉子兼有鼓式轉子的抗彎剛性和盤式轉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)點是結構簡單，工作可靠，但是轉子的零件多，制造偏差會影響轉子的定心和平衡，連接處結構要加寬加厚，會增加轉子的重量。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子的越來越多，焊接轉子一般采用電子束焊接和摩擦焊。

焊接的鼓盤式轉子不需要連接件，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)可能產生的質量不穩(wěn)定因素，因而有效地減輕了結構重量，進步轉子的工作可靠性，但是轉子的焊接方法，對焊接技術有很高的要求，必須保證零件的焊縫質量滿足驗收標準的要求，且焊縫的焊接質量應十分穩(wěn)定，一條焊縫的質量超差，可能造成整個轉子無法使用。轉子的電子束焊接，要保證精度高，變形小，無氧化，高強度，低殘余應力和質量穩(wěn)定，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公道的工藝來保證。

在壓氣機轉子的電子束焊接結構件的制造中，焊接過程中焊縫中易產生氣孔缺陷，尤其是鈦合金，由于轉子件焊接級數(shù)較多，加之零件的生產本錢較高，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，轉子件焊前應對焊接參數(shù)的公道性在模擬件上進行驗證，為了防止氣孔的產生，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)材料的不同對接頭進行相應的化學和機械清理；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工作，且焊接熱輸進較大，零件易變形；采用非穿透焊接，必須將焊接中產生的缺陷盡可能深地引進到焊接襯底中往，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。由于零件焊接后內部一些形面無法加工，因而轉子件對焊后的同心度，焊接收縮量和跳動值有非常嚴格的要求，必須從焊接工藝方法上，焊接及熱處理工裝上采取措施，防止轉子的變形。

為了進一步減輕轉子件的結構重量，現(xiàn)代先進的發(fā)動機已采用整體葉盤制造技術，根據(jù)加工的難易程度和經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。該技術在西方國家的軍民用飛機發(fā)動機壓氣機轉子上已經采用，我國正在加快這方面的技術攻關和研究工作。

電子束焊接在渦輪制造中的應用

在燃氣渦輪部分，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構，中間沒有連接件，重量最輕。但由于渦輪部分為承力轉動件，在工作過程中存在很大的扭轉載荷，焊接須確保盤軸的同心度和跳動要求，因此對焊接接頭質量要求十分苛刻。國內在某型靶機的發(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。采用焊接結構件較整體件加工降低了機加工難度，同時節(jié)約了材料，經濟性好。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構。盤軸焊接結構，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力較小、壁厚較薄的位置。

在渦輪導向葉片的制造過程中，由于導向葉片除受到較大的氣動力與不穩(wěn)定的脈動負荷外，還處于高溫燃氣的包圍之中，溫度高，冷熱變化大，溫度不均勻情況很嚴重，熱沖擊和熱疲憊成為葉片失效的主要原因之一。因此，導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，這類材料的材質很硬，采用精密鑄造，為了增強葉片的冷卻效果，進步工作質量，一般做成空心葉片。在TAY及WS9發(fā)動機上，高壓渦輪導向葉片均為采用電子束焊接的三葉組結構。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，裂紋的產生與材料中Al、Ti及雜質元素的含量較高有關。為了更進一步進步發(fā)動機渦輪前工作溫度，現(xiàn)代先進發(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材料定向結晶鑄造的渦輪導向葉片，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生焊接裂紋。

電子束焊接在燃燒室制造中的應用

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用。燃燒室部件是發(fā)動機中承受熱負荷最大的部件，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?，F(xiàn)代發(fā)動機多采用環(huán)形燃燒室結構，其燃燒室內外機匣均采用電子束焊接結構，一般為GH4169材料，多為薄壁件，焊接時保證焊縫質量滿足驗收標準的Ⅰ級要求。電子束焊接完成燃燒室外機匣、前置擴壓器和內機匣的連接。在某機機匣內套的生產中，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，分析判定其為應變時效裂紋，焊前對GH141材料進行時效處理，并從焊接工藝、工裝等方面著手，控制焊后應力，解決了焊接裂紋題目?；鹧嫱驳闹圃齑罅坎捎昧穗娮邮附庸に嚒崿F(xiàn)外壁與頭部及帽罩的焊接。由于結構原因，電子束焊接要控制焊接熱輸進量，防止零件變形，根據(jù)零件的具體結構，有些情況下須采用非穿透焊接工藝，防止焊接過程中產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用

液壓作動筒在發(fā)動機上調節(jié)尾噴管的噴口大小，屬于發(fā)動機上的關鍵件。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，焊接過程中必須嚴格控制焊接變形，以確保活塞在筒體中的自由往復運動；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生的缺陷，加大焊接襯底的厚度，并加開放氣槽，將焊接產生的氣孔盡可能深地引進襯底中，焊后機加工往除，能很好地解決氣孔缺陷。另外，應對焊接接頭背面的齒輪進行保護，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，焊縫質量滿足驗收標準的要求，且焊后齒輪軸的尺寸和跳動符合設計圖。

結束語

隨著飛機發(fā)動機科研生產的需要，西安航空發(fā)動機公司近年引進了3臺進口數(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的德國產電子束焊機進行了大修改造。公司承擔著繁重的飛機發(fā)動機科研試制和批產任務，主要包括一、二、三級風扇機匣、多種高低壓壓氣機轉子、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，焊接產品質量穩(wěn)定，滿足了部隊裝機需要，考核試驗未出現(xiàn)焊接質量題目。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困難，焊接技術氣力雄厚，為今后我國大型軍民用飛機發(fā)動機研制和批產打下了堅實的基礎。