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风扇一、二级静子叶片组件的电子束焊接工艺

[作者:李凯 李英[来源:互联网]| 打印 | 关闭 ]

 摘 要:某发动机风扇一、二级静子叶片组件为双缘板、多联体结构,材料为TC4合金,其由数量不等的单个静子叶片组合焊接而成。最初设计采用真空钎焊工艺,但由于钎焊温度为960℃,处于TC4合金的超塑性温度区间易造成叶身变形大,无法满足设计要求,因此设计最终采用了真空电子束焊工艺。文章主要介绍了一、二级静子叶片的真空电子束焊接工艺过程,通过夹具固定限位、焊接工艺性设计、工艺参数试验以及焊后变形量测量统计等一系列工艺措施,成功实现了变截面接头的焊缝成形,保证了叶片组件尺寸精度,有效控制焊接变形问题,消除咬边、烧穿、气孔、局部塌陷等焊接缺陷。
  关键词:电子束焊;焊接变形;气孔;焊缝成形
  引言
  某发动机风扇一、二级静子叶片组件为双缘板、多联体结构,由多个单体叶片组合焊接而成。多联体叶片组件经装配组环,并通过上下缘板连接内、外环形成风扇静子单元。该组件最初设计采用真空钎焊工艺,但由于真空钎焊温度为960℃,处于TC4合金的超塑性温度区域易造成叶身变形大,无法满足设计要求,因此设计最终采用了真空电子束焊工艺。但是,该组件尺寸精度高,进、排气边上下缘板同心度为0.05mm,沿缘板方向长度尺寸精度为0.1mm;缘板安装边变截面台阶差大、圆角小,台阶差达3mm,转接圆角仅为R3;同时由于焊缝背面已经加工到最终尺寸,焊后背面无法通过机械加工消除缺陷,因此,电子束焊接该组件难度极大,在保证零件的焊接质量的前提下,还必须采取合理的工艺措施控制零件变形,保证组件尺寸精度要求。
  1 叶片材料及结构分析
  1.1 叶片材料
  TC4(Ti-6Al-4V)合金属于(α+β)型双相钛合金,含有6%α稳定元素Al和4%β稳定元素V,这种合金具有比重轻、比强度高、耐腐蚀和高温抗蠕变等优异的综合性能,并可通过热处理强化,广泛应用于航空发动机工作温度在400℃以下的整体叶盘、钛合金叶片以及机匣类组件[1]。
  1.2 结构分析
  一、二级静子叶片组件上缘板采用电子束拼焊工艺,下缘板不进行焊接,焊后严格保证焊缝横向总收缩量控制在0.20mm以内(组合加工后保证0.10公差)。其中一级静子叶片组件接头中段厚度为3.5mm,转接R圆角半径为3mm,两侧缘板厚度在6.3mm~7.8mm之间,单侧缘板宽度16mm;二级静子叶片组件接头中段厚度为3.5 mm,转接R圆角半径为3mm,两侧缘板厚度在6.5mm~7.8mm之间,单侧缘板宽度12mm。在电子束焊接过程中需根据3个典型厚度临界点分别选择3套工艺规范,保证接头不等厚区域均能焊透的同时避免背面形成焊漏。同时对于转接圆角处容易形成咬边缺陷的问题,应通过调节焊接速度、聚焦电流和束流等参数避免咬边缺陷的产生[2]。
  2 焊接工艺
  2.1 工装夹具
  焊接工装在设计上以尽量减少焊接变形为依据,在能产生焊接变形的方向上都加以限制,以最大限度地减少焊接变形,为了避免焊接飞溅物烧伤叶身,在焊缝反面做了一个U型槽。
  2.2 装配定位焊
  定位焊前先将单体叶片全部装配在夹具上,检查装配间隙不大于0.1mm,必要时可对局部位置进行修配,保证装配间隙要求。对于装配错边问题,按照标准规定静子叶片组焊前零件的错边不大于0.1T(T为零件厚度),厚度差大时会影响电子束焊接的焊接质量,因此在进行定位焊之前配做,测量零件焊接区域的厚度尺寸,选厚度差异最小的零件组成一组,尺寸差大于0.1T时,通过机械打磨焊接截面的临近区域,使两个零件焊接区域的厚度差控制在0.1T范围内。
  焊前采用氩弧焊定位,每两个叶片之间定位两点,定位焊长度约10mm左右,定位焊应保证无裂纹、气孔、夹杂,焊点颜色应为银白色或淡黄色,零件表面不能有电弧烧伤,定位焊点尺寸应尽量小且能被电子束焊缝完全覆盖。
  2.3 引弧块和熄弧块
  由于叶片缘板厚且长度较小,直接在零件上起弧势必造成零件焊不透,而收弧部位会由于收弧太急而产生较大的弧坑,因此,在焊缝的两侧安装了引弧块和熄弧块,采用氩弧焊定位焊的方法使其与叶片连接起来。
  2.4 工艺参数验证

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