蔣紹堂

(中國(guó)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司新品試制中心,湖南株洲 412002)

電子束焊接在中小航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

蔣紹堂

(中國(guó)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司新品試制中心,湖南株洲 412002)

介紹了電子束焊接的基本特點(diǎn)及在“中小航空發(fā)動(dòng)機(jī)”上的應(yīng)用,分析了典型零件、典型材料的電子束焊接工藝。

電子束 焊接 應(yīng)用

1 電子束焊接的特點(diǎn)及在“中小航空發(fā)動(dòng)機(jī)”上的應(yīng)用

電子束焊接是一種能量密度極高的高能束流(電子束)加工技術(shù),它是利用電子槍發(fā)射出的高能量密度的電子流,經(jīng)過(guò)靜電磁場(chǎng)和電磁透鏡加速和聚焦后與材料相互作用,使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能后實(shí)現(xiàn)材料的加熱加工。電子束焊接技術(shù)作為一種高能量密度的特種加工方法,具有其他很多加工技術(shù)不可比擬和不可替代的優(yōu)勢(shì)。

隨著航空技術(shù)的發(fā)展,對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)提出更高的要求,特別是中小新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高性能難加工材料、精鑄件的使用增多,對(duì)難加工材料及精鑄件連接提出更高要求,對(duì)焊縫的承載能力要求越來(lái)越高,焊后加工余量越來(lái)越少,甚至不加工,要求焊接變形小,焊接熱影響區(qū)小。電子束焊接作為高質(zhì)量、精密連接技術(shù)經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域,特別是“中小發(fā)”上的應(yīng)用廣泛。

電子束焊接是利用電子束作為熱源對(duì)材料進(jìn)行加熱,實(shí)現(xiàn)材料連接。電子束焊接一般是在真空工作室中進(jìn)行,工作時(shí)主要有2個(gè)特點(diǎn):功率密度高和精確、快速的可控性。正是主要由于電子束焊接的兩大特點(diǎn),使得同其他焊接方法相比,電子束焊接具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1)電子束焊接穿透能力強(qiáng),焊縫深寬比大,可達(dá)到50:1(圖1所示),使得電子束焊接接頭的變形很小,實(shí)現(xiàn)精密電子束焊接。

(2)可焊材料的范圍很廣。電子束焊接除了可以焊接其他焊接方法容易焊接的材料如鋼、銅等外,對(duì)于一些難焊材料如鈦合金、高溫合金GH2132、鑄造高溫合金K163等同樣有較高的工藝適應(yīng)性。(3)電子束焊接的可達(dá)性和可控性好,非常容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。(4)電子束焊接在真空環(huán)境下進(jìn)行,真空環(huán)境利于提高焊縫質(zhì)量。特別適于活潑金屬的焊接,如鈦合金零件的焊接。

圖1 電子束焊縫與氬弧焊焊縫對(duì)比

圖2 電子束焊縫熱影響區(qū)中的微裂(50×)

圖3 電子束焊縫中的氣孔(100×)

2 電子束焊接工藝

2.1 焊接工藝參數(shù)的調(diào)整

電子束焊接工藝參數(shù)主要有電子束流(即焊接電流)、加速電壓、焊接速度、聚焦電流和離焦量等。焊接電流和焊接速度是主要調(diào)整的工藝參數(shù)。焊接熱輸入是焊接工藝參數(shù)綜合作用的結(jié)果,對(duì)于同一種材料,焊接厚度和焊接熱輸入有對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。電子束焊接時(shí),熱輸入的計(jì)算公式為:

式中q——熱輸入;Ub——加速電壓;Ib——電子束流;V——焊接速度。

熱輸入與電子束焊接功率成正比,與焊接速度成反比。通過(guò)調(diào)整電子束的各主要參數(shù),來(lái)改變電子束焊接功率,調(diào)節(jié)焊接熱輸入,控制焊縫成形質(zhì)量。利用電子束的精確、快速的可控性特點(diǎn),電子束可加工材料厚度的范圍大,即可以實(shí)現(xiàn)薄板之間的連接又可以焊接厚板,應(yīng)用范圍廣泛。

2.2 典型材料的電子束焊接工藝

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展,電子束焊接技術(shù)促使鈦合金、高溫合金和鑄造高溫合金焊接結(jié)構(gòu)件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造技術(shù)中獲得廣泛運(yùn)用。

2.2.1 鈦合金電子束焊接

電子束焊接非常適用于鈦及鈦合金材料加工。真空環(huán)境焊接冶金質(zhì)量好、焊縫窄、深寬比大、焊縫角變形小、焊縫及熱影響區(qū)晶粒細(xì)、接頭性能好,焊縫和熱影響區(qū)不會(huì)被空氣污染。焊接過(guò)程中焊縫向母材過(guò)渡不平滑,易出現(xiàn)氣孔。預(yù)防氣孔措施:(1)焊接前采用酸洗和機(jī)械加工清理干凈;(2)其次使用電子束擺動(dòng)可改善焊縫成形、細(xì)化晶粒和減少氣孔;(3)適當(dāng)限制焊接速度,增加攪拌,使焊縫中的氣體能夠快速逸出。

2.2.2 鑄造高溫合金電子束焊接

鑄造高溫合金電子束焊的焊接缺陷主要是熱影響區(qū)液化裂紋及焊縫中的氣孔等。熱影響區(qū)的裂紋多分布于焊縫釘頭轉(zhuǎn)角處,并垂直于融合線(xiàn)向母材延伸(圖2)。形成裂紋的幾率與母材裂紋敏感性密切相關(guān)。防止裂紋的措施是:(1)采用含雜質(zhì)低的優(yōu)質(zhì)母材,減少晶界的低熔點(diǎn)相;(2)在保證焊透的前提下,采用較低的熱輸入,防止熱影響晶粒長(zhǎng)大和晶界局部液化;(3)控制焊縫成形,減少應(yīng)力集中。

[1]鄒茉蓮.焊接理論及工藝基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1994.

[2]劉春飛.電子束焊接技術(shù)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及展望[J].航天制造技術(shù),2003(10).

[3]吳林.焊接手冊(cè)、焊接方法與設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.