馬宇

摘 要：作為航空制造業(yè)發(fā)展不可或缺的技術，電子束焊接技術能夠在很大程度上提升航空發(fā)動機的制造水準。該技術的普及將發(fā)動機中多種材料的輕量化以及無縫焊接化成為現(xiàn)實，為航空發(fā)動機的整體制造流程提供了新的思路。本文介紹了電子束焊接技術在風扇機匣、壓縮機、渦輪制造以及燃燒室制造等工藝流程中的應用，以期為工業(yè)技術人員提供參考。

關鍵詞：電子束焊;航空工業(yè);發(fā)動機

引言

從上世紀中葉興起的電子束焊接技術現(xiàn)已廣泛應用于航空制造業(yè)，該技術以其功率密度高、零件不易變形、焊接殘余應力小且焊縫優(yōu)良等優(yōu)點牢牢占據(jù)著航空制造業(yè)的核心技術地位，在其他焊接技術面前顯示出巨大的優(yōu)勢。

1.風扇機匣制造中的電子束焊接

為了將發(fā)動機的重量控制在預設范圍內(nèi)，就應該在制造航空發(fā)動機的過程中引入新型材料與先進技術，使用鈦合金作為風扇機匣的原料，采用外殼外圈與定子葉片之間的電子束焊接技術，簡化了制造過程。電子束焊接熱輸入小且零件變形小，可實現(xiàn)一次數(shù)控編程完成焊接。除此之外，該技術生產(chǎn)效率高，焊接質量好。為了進一步減輕重量，在保證變速箱強度和剛度的前提下，將變速箱壁厚減至2mm。

由于風機機殼的風道在焊接后無法加工，首先要選擇合適的焊接工藝參數(shù)，使鈦合金材料能夠焊接成單面焊和雙面成形。在焊接過程中，不能產(chǎn)生嚴重的焊接飛濺，焊縫背面不能太高，否則會影響機殼空氣流道內(nèi)氣體的運動。因此，采用適當?shù)暮附庸に嚪桨负秃负鬅崽幚砉ぱb，保證焊后零件變形最小。最后，編制合理可行的數(shù)控程序，完成零件的焊接。

2.壓縮機制造中的電子束焊接

在進行壓縮機零部件的制造時，電子束焊接技術的用武之地同樣很多。其中，壓縮機中的轉子通常是由GH4169材料與鈦合金組成，該轉子的主要特點就是速度非常快，每分鐘的轉速在幾千到幾萬。機械連接具有結構簡單、運行可靠的優(yōu)點，但轉子零件多，制造偏差會影響轉子的對中和平衡，連接結構應加寬加厚以增加轉子的重量。隨著焊接技術的發(fā)展，現(xiàn)代先進發(fā)動機轉子的焊接方法越來越多，轉子的焊接一般采用電子束焊和摩擦焊。

焊接的鼓盤轉子不需要連接件。在焊接過程中，必須保證各部件的同心度和跳動量要求，從而有效減輕結構重量，提高轉子的工作可靠性。然而，轉子的焊接方法對焊接工藝有很高的要求。零件的焊接質量必須保證達到驗收標準的要求，其焊接質量應非常穩(wěn)定。一個焊縫的質量不合格，可能導致整個轉子無法使用。因此，必須要提高焊接技術水平，從而確保高精度、小變形、無氧化、高強度、低殘余應力和穩(wěn)定的質量。由此可知，轉子的電子焊接必須有大型數(shù)控電子束焊接設備和成熟的焊接工藝，還要依靠焊接工裝和合理的工藝。

在壓縮機轉子電子束焊接結構件的制造中，焊縫容易產(chǎn)生氣孔缺陷，尤其是鈦合金。由于轉子零件的焊接階段多，生產(chǎn)成本高，一般需要保證焊接成功。由于焊后探傷前基體被去除，一旦焊縫中出現(xiàn)缺陷（如氣孔），一次性補焊很難完全消除。轉子零件焊接前，應在模擬件上驗證焊接工藝參數(shù)的合理性。為防止氣孔的產(chǎn)生，在焊接接頭的基體上加工排氣槽，焊接前應將接頭清洗干凈，然后根據(jù)不同材料對接頭進行化學和機械清洗。焊接過程中采用熔透焊接，有利于消除氣孔缺陷，但要做好焊接飛濺的防護工作，焊接熱輸入大，零件易變形。在非熔透焊接中，必須將焊接過程中產(chǎn)生的缺陷盡可能深地引入到焊接基體中，然后在不改變焊接工藝的情況下去除基體為保證焊接質量，應將基體加厚并焊接到基體背面進行微熔透，使其不產(chǎn)生飛濺燒傷和粘附問題，且零件變形易于控制。

由于有些零件的內(nèi)表面焊后不能加工，轉子零件焊后的同心度、焊接收縮率和跳動值都非常嚴格。因此，必須從焊接工藝、焊接和熱處理工裝等方面采取措施，防止轉子變形為了進一步減輕轉子零件的結構重量。現(xiàn)代先進發(fā)動機采用了整體葉盤的制造技術，使葉盤與葉片之間的連接根據(jù)加工難度和經(jīng)濟性采用整體加工或線性摩擦焊接連接，大大減輕了轉子零件的重量。盤與盤的連接采用電子束焊接技術，該技術已在西方國家的航空發(fā)動機壓氣機轉子上得到應用。目前，國內(nèi)在這一領域的研究工作進程正在加快。

3.渦輪制造中的電子束焊

在燃氣輪機部件中，盤軸采用電子束焊接或摩擦焊連接，是最簡單的不可拆卸結構，中間沒有連接且重量最輕。但由于汽輪機部分是軸承轉動部分，在工作過程中承受較大的扭轉載荷，焊接時必須保證盤、軸的同心度和跳動量要求，因此對焊接接頭的質量要求非常嚴格。

與整體結構相比，焊接結構降低了加工難度，節(jié)省了材料且經(jīng)濟性好。國外發(fā)動機的高壓渦輪采用電子束焊接結構盤，軸的焊接結構必須考慮各種工況下不同材料焊接接頭的影響，在汽輪機導葉的制造過程中，焊接接頭的位置應盡量放在應力小、壁厚薄的位置。因為它不僅承受著較大的氣動力和不穩(wěn)定的脈動載荷，而且被高溫氣體所包圍，具有高溫、冷熱變化大、溫度不均勻性嚴重等特點，熱沖擊和熱疲勞成為葉片失效的主要原因之一。在這種情況下，導葉一般做成單葉或雙葉、三葉組，便于裝配、定位和公差控制，損壞后便于更換。導葉材料為鑄造高溫合金，這種材料很硬且價格昂貴。為了提高葉片的冷卻效果，提高葉片的工作質量，一般采用空心葉片。為了進一步提高發(fā)動機渦輪前的工作溫度，現(xiàn)代先進發(fā)動機采用了許多耐溫性較高的新材料。

4.燃燒室制造中的電子束焊

在發(fā)動機燃燒室的制造過程中，電子束焊接得到了廣泛的應用。燃燒室部件是發(fā)動機中熱負荷最大、重量輕的部件，燃燒室部件容易發(fā)生故障，危及自身及其它部件的安全。因此在燃燒室殼體的制造中，要求燃燒室部件的制造質量較高，采用電子束焊接的方法將安裝邊緣與鈑金件焊接在一起，大大節(jié)省了材料?，F(xiàn)代發(fā)動機大多采用環(huán)形燃燒室結構，燃燒室和外殼采用電子束焊接結構。焊接時一般采用GH4169材料，多為薄壁件，從而保證焊縫質量達到驗收標準一級要求。焊縫前后側均采用成型良好的電子束焊接，完成燃燒室殼體、前擴壓器和內(nèi)部的連接彈殼。在齒輪箱內(nèi)殼的生產(chǎn)中，涉及GH141材料的電子束焊接，焊接后在焊接接頭處發(fā)現(xiàn)微裂紋。針對這種情況，分析判斷為應變時效裂紋。由于電子束焊接的結構特點，應控制電子束焊接的熱輸入，防止零件變形根據(jù)零件的具體結構，在某些情況下，為了防止焊接過程中產(chǎn)生的飛濺和焊瘤影響發(fā)動機的使用，必須采用非熔透焊接工藝。

5.其他組件制造中的電子束焊

液壓執(zhí)行器調節(jié)發(fā)動機尾噴管的尺寸是發(fā)動機的關鍵部件。由于液壓缸壁厚小，在焊接過程中，首先要嚴格控制焊接變形，保證缸內(nèi)活塞的自由往復運動;其次，零件的溫升必須很小，以確保焊接熱循環(huán)對活塞密封圈的質量沒有影響;第三，在確保有效焊接段完全焊接的情況下，氣缸內(nèi)沒有焊接飛濺，這必須從焊接接頭的設計上解決;第四，選擇較小的焊接熱輸入量，采用局部熔透工藝和用銅冷鐵塊帶走焊接熱的方法是必要的。

結論

隨著飛機發(fā)動機研發(fā)和生產(chǎn)壓力的加大，相關行業(yè)承擔著飛機發(fā)動機研發(fā)、試制和批量生產(chǎn)的重任，主要包括一、二、三級風機機殼等180多種零部件，各種高低壓壓縮機轉子、高壓渦輪機殼、燃燒室機殼、火焰筒組件等，涉及不銹鋼、高溫合金、鈦合金等多種材料，焊接產(chǎn)品質量穩(wěn)定，滿足軍事安裝需要。評定試驗無焊接質量問題。先后解決了鈦合金材料電子束焊接中的氣孔、焊后GH141材料的裂紋等技術問題，焊接技術力量雄厚，今后將用于我國大型軍用和民用飛機發(fā)動機。

參考文獻

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