摘 要：某發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇一、二級(jí)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(gè)靜子葉片組合焊接而成。最初設(shè)計(jì)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(jì)要求，因此設(shè)計(jì)最終采用了真空電子束焊工藝。文章主要介紹了一、二級(jí)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(jì)、工藝參數(shù)試驗(yàn)以及焊后變形量測(cè)量統(tǒng)計(jì)等一系列工藝措施，成功實(shí)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇一、二級(jí)靜子葉片組件為雙緣板、多聯(lián)體結(jié)構(gòu)，由多個(gè)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(jì)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(jì)要求，因此設(shè)計(jì)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(zhǎng)度尺寸精度為0.1mm；緣板安裝邊變截面臺(tái)階差大、圓角小，臺(tái)階差達(dá)3mm，轉(zhuǎn)接圓角僅為R3；同時(shí)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(dòng)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(jí)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(jí)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(jí)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(gè)典型厚度臨界點(diǎn)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(shí)避免背面形成焊漏。同時(shí)對(duì)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(jì)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(gè)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(shí)可對(duì)局部位置進(jìn)行修配，保證裝配間隙要求。對(duì)于裝配錯(cuò)邊問題，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定靜子葉片組焊前零件的錯(cuò)邊不大于0.1T（T為零件厚度），厚度差大時(shí)會(huì)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(cè)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(shí)，通過機(jī)械打磨焊接截面的臨近區(qū)域，使兩個(gè)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?jī)蓚€(gè)葉片之間定位兩點(diǎn)，定位焊長(zhǎng)度約10mm左右，定位焊應(yīng)保證無裂紋、氣孔、夾雜，焊點(diǎn)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(diǎn)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(zhǎng)度較小，直接在零件上起弧勢(shì)必造成零件焊不透，而收弧部位會(huì)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(yàn)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(duì)每一條焊縫進(jìn)行電子束焊定位，然后將焊接順序設(shè)計(jì)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(shì)，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(diǎn)，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(tái)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(jì)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(gè)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(shí)，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(gè)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(shí)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(duì)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(duì)風(fēng)扇一、二級(jí)靜子葉片組件開展了電子束焊接工藝試驗(yàn)研究，包括工裝夾具精密定位、引弧塊和熄弧塊設(shè)計(jì)、氬弧焊及電子束焊的精密定位焊以及多個(gè)批次的電子束焊接工藝參數(shù)試驗(yàn)和成形性分析，通過引入了成形工藝墊板，在第三批次試驗(yàn)的電子束焊工藝參數(shù)試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇一二級(jí)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(bào)，2007.

[2]《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)（第二卷）[M].北京：中國(guó)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）.