摘 要：某發(fā)動機(jī)風(fēng)扇一、二級靜子葉片組件為雙緣板、多聯(lián)體結(jié)構(gòu)，材料為TC4合金，其由數(shù)量不等的單個靜子葉片組合焊接而成。最初設(shè)計采用真空釬焊工藝，但由于釬焊溫度為960℃，處于TC4合金的超塑性溫度區(qū)間易造成葉身變形大，無法滿足設(shè)計要求，因此設(shè)計最終采用了真空電子束焊工藝。文章主要介紹了一、二級靜子葉片的真空電子束焊接工藝過程，通過夾具固定限位、焊接工藝性設(shè)計、工藝參數(shù)試驗以及焊后變形量測量統(tǒng)計等一系列工藝措施，成功實現(xiàn)了變截面接頭的焊縫成形，保證了葉片組件尺寸精度，有效控制焊接變形問題，消除咬邊、燒穿、氣孔、局部塌陷等焊接缺陷。

關(guān)鍵詞：電子束焊；焊接變形；氣孔；焊縫成形

引言

某發(fā)動機(jī)風(fēng)扇一、二級靜子葉片組件為雙緣板、多聯(lián)體結(jié)構(gòu)，由多個單體葉片組合焊接而成。多聯(lián)體葉片組件經(jīng)裝配組環(huán)，并通過上下緣板連接內(nèi)、外環(huán)形成風(fēng)扇靜子單元。該組件最初設(shè)計采用真空釬焊工藝，但由于真空釬焊溫度為960℃，處于TC4合金的超塑性溫度區(qū)域易造成葉身變形大，無法滿足設(shè)計要求，因此設(shè)計最終采用了真空電子束焊工藝。但是，該組件尺寸精度高，進(jìn)、排氣邊上下緣板同心度為0.05mm，沿緣板方向長度尺寸精度為0.1mm；緣板安裝邊變截面臺階差大、圓角小，臺階差達(dá)3mm，轉(zhuǎn)接圓角僅為R3；同時由于焊縫背面已經(jīng)加工到最終尺寸，焊后背面無法通過機(jī)械加工消除缺陷，因此，電子束焊接該組件難度極大，在保證零件的焊接質(zhì)量的前提下，還必須采取合理的工藝措施控制零件變形，保證組件尺寸精度要求。

1 葉片材料及結(jié)構(gòu)分析

1.1 葉片材料

TC4（Ti-6Al-4V）合金屬于（α+β）型雙相鈦合金，含有6%α穩(wěn)定元素Al和4%β穩(wěn)定元素V，這種合金具有比重輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕和高溫抗蠕變等優(yōu)異的綜合性能，并可通過熱處理強(qiáng)化，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)工作溫度在400℃以下的整體葉盤、鈦合金葉片以及機(jī)匣類組件[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

一、二級靜子葉片組件上緣板采用電子束拼焊工藝，下緣板不進(jìn)行焊接，焊后嚴(yán)格保證焊縫橫向總收縮量控制在0.20mm以內(nèi)（組合加工后保證0.10公差）。其中一級靜子葉片組件接頭中段厚度為3.5mm，轉(zhuǎn)接R圓角半徑為3mm，兩側(cè)緣板厚度在6.3mm～7.8mm之間，單側(cè)緣板寬度16mm；二級靜子葉片組件接頭中段厚度為3.5 mm，轉(zhuǎn)接R圓角半徑為3mm，兩側(cè)緣板厚度在6.5mm～7.8mm之間，單側(cè)緣板寬度12mm。在電子束焊接過程中需根據(jù)3個典型厚度臨界點分別選擇3套工藝規(guī)范，保證接頭不等厚區(qū)域均能焊透的同時避免背面形成焊漏。同時對于轉(zhuǎn)接圓角處容易形成咬邊缺陷的問題，應(yīng)通過調(diào)節(jié)焊接速度、聚焦電流和束流等參數(shù)避免咬邊缺陷的產(chǎn)生[2]。

2 焊接工藝

2.1 工裝夾具

焊接工裝在設(shè)計上以盡量減少焊接變形為依據(jù)，在能產(chǎn)生焊接變形的方向上都加以限制，以最大限度地減少焊接變形，為了避免焊接飛濺物燒傷葉身，在焊縫反面做了一個U型槽。

2.2 裝配定位焊

定位焊前先將單體葉片全部裝配在夾具上，檢查裝配間隙不大于0.1mm，必要時可對局部位置進(jìn)行修配，保證裝配間隙要求。對于裝配錯邊問題，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定靜子葉片組焊前零件的錯邊不大于0.1T（T為零件厚度），厚度差大時會影響電子束焊接的焊接質(zhì)量，因此在進(jìn)行定位焊之前配做，測量零件焊接區(qū)域的厚度尺寸，選厚度差異最小的零件組成一組，尺寸差大于0.1T時，通過機(jī)械打磨焊接截面的臨近區(qū)域，使兩個零件焊接區(qū)域的厚度差控制在0.1T范圍內(nèi)。

焊前采用氬弧焊定位，每兩個葉片之間定位兩點，定位焊長度約10mm左右，定位焊應(yīng)保證無裂紋、氣孔、夾雜，焊點顏色應(yīng)為銀白色或淡黃色，零件表面不能有電弧燒傷，定位焊點尺寸應(yīng)盡量小且能被電子束焊縫完全覆蓋。

2.3 引弧塊和熄弧塊

由于葉片緣板厚且長度較小，直接在零件上起弧勢必造成零件焊不透，而收弧部位會由于收弧太急而產(chǎn)生較大的弧坑，因此，在焊縫的兩側(cè)安裝了引弧塊和熄弧塊，采用氬弧焊定位焊的方法使其與葉片連接起來。

2.4 工藝參數(shù)驗證

焊前將接頭及其兩側(cè)（15～20）mm范圍內(nèi)用不銹鋼絲刷清理表面，再用丙酮擦拭，使焊接表面無油污、水份及其它附著物，清洗過的接頭不許用手接觸。工裝夾具也要用丙酮仔細(xì)進(jìn)行清理。為了減少焊接變形，先對每一條焊縫進(jìn)行電子束焊定位，然后將焊接順序設(shè)計為先焊接中間的那條焊縫，再焊接最外邊的兩條焊縫，最后焊接其它焊縫，按照這種焊接順序，能夠避免從一側(cè)起焊順序施焊造成最后一條焊縫間隙過大形成焊漏、燒穿、塌陷等焊接缺陷。

根據(jù)能量公式（Q=UI*60/VT≈3122J/mm），本次焊接輸入能量高，且焊接速度慢，造成線輸入能量大，金屬熔化充分。焊接完成后，過高的焊接能量導(dǎo)致基體金屬飛出，焊接飛濺物多；焊縫反面成型不好。高的輸入能量也造成焊接變形偏大，通過數(shù)據(jù)曲線說明本次焊接變形趨勢，進(jìn)氣邊平均每條焊縫焊接變形在0.18mm左右，排氣邊平均每條焊縫焊接變形在0.22mm左右，焊接變形較大。

鑒于第一批次焊接線能量大，速度慢，焊接飛濺物多，焊縫成型不好且變形大的特點，為了保障焊接深度，本次基本保持焊接能量不變，適當(dāng)增大了焊接速度。焊后目視檢查焊縫正、背面成形良好。與第一批次比較能量基本未變，但焊接速度快，背面金屬熔合不充分，在打磨掉背面余高后，在焊接區(qū)域的兩邊邊緣處出現(xiàn)了咬邊現(xiàn)象，一般深度在0.1mm～0.4mm左右。進(jìn)氣邊平均每條焊縫焊接變形在0.11mm左右，排氣邊平均每條焊縫焊接變形在0.15mm左右，與第一臺相比焊接變形減少很多。根據(jù)產(chǎn)生的咬邊現(xiàn)象，如果將背面咬邊打平，葉片就要減薄0.2mm～0.4mm，無法滿足設(shè)計要求。為了改善這種狀況，又嘗試著新的工藝方法，增加工藝墊板。由于每個葉片都有一定的弧度，在葉片上直接預(yù)留鎖底，在組合裝配時，保證不了焊接間隙控制在0.1mm范圍內(nèi)，所以在焊縫背面增加了一個工藝墊板，由于考慮到后續(xù)打磨的工作量及可操作性，同時又能滿足焊接要求，選用了2mm厚3mm寬的TC4板材作為墊板，采用氬弧焊將其定位焊，并保證3mm寬的墊板中心盡量對準(zhǔn)焊縫中心，焊接間隙控制在0.1mm以內(nèi)。

采用上述焊接參數(shù)焊接的零件，焊接完成后把鎖底部位全部采用手工打磨的方法將其去掉，經(jīng)過打磨焊縫外表面光潔，經(jīng)過X光檢查沒有線性顯示及任何超標(biāo)缺陷，全部合格。進(jìn)氣邊平均每條焊縫焊接變形在0.13mm左右，排氣邊平均每條焊縫焊接變形在0.15mm左右，焊縫成形質(zhì)量明顯改善。

3 結(jié)束語

文章針對風(fēng)扇一、二級靜子葉片組件開展了電子束焊接工藝試驗研究，包括工裝夾具精密定位、引弧塊和熄弧塊設(shè)計、氬弧焊及電子束焊的精密定位焊以及多個批次的電子束焊接工藝參數(shù)試驗和成形性分析，通過引入了成形工藝墊板，在第三批次試驗的電子束焊工藝參數(shù)試驗中取得了良好的焊縫成形，保證了焊接質(zhì)量、控制了焊接變形，成功實現(xiàn)了風(fēng)扇一二級靜子葉片組件的電子束焊接，滿足了葉片組件工藝的研制需求[3]。

參考文獻(xiàn)

[1]尹麗香，等.TC4鈦合金電子束焊接接頭高溫性能與組織[J].焊接學(xué)報，2007.

[2]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊（第二卷）[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[3]劉春飛，等.電子束焊接技術(shù)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和展望[J].航天制造技術(shù)，2003（2-5）.