空氣導(dǎo)管電子束焊搭接接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

鄒 武（海軍裝備部,西安 710021）

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空氣導(dǎo)管電子束焊搭接接頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

鄒 武
（海軍裝備部,西安 710021）

摘 要：某型航空發(fā)動機(jī)空氣導(dǎo)管組件采用電子束焊接工藝，內(nèi)、外筒體凸臺焊縫采取搭接接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，由于焊縫結(jié)構(gòu)影響，焊后無法對焊縫未熔合縫隙進(jìn)行車加工，零件在長期使用過程中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外筒體凸臺焊縫存在開裂現(xiàn)象。本文通過工藝試驗(yàn)對接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高了焊縫接頭強(qiáng)度，同時，增加的防焊接飛濺槽能夠焊將接飛濺封閉在工藝槽內(nèi)，避免對內(nèi)、外筒體零件的擊傷。

關(guān)鍵詞：空氣導(dǎo)管；電子束焊接；搭接接頭

0 前言

真空電子束焊接工藝具有穿透能力強(qiáng)、熱影響區(qū)小、深寬比大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)零部件的制造中。某機(jī)空氣導(dǎo)管組件，由內(nèi)外筒體零件經(jīng)電子束焊接而成，材料為TC11。該組件共有8條電子束焊接焊縫，包括環(huán)焊縫、搭接焊縫以及端面焊縫，其中，內(nèi)、外筒體凸臺焊縫采用搭接接頭結(jié)構(gòu)，零件使用一定時間后，外場發(fā)現(xiàn)凸臺焊縫處出現(xiàn)開裂。經(jīng)過分析，凸臺焊縫開裂主要由于焊縫接頭強(qiáng)度相對較低，一旦端面焊縫出現(xiàn)疲勞裂紋，凸臺焊縫極易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，影響零件的使用壽命。因此，有必要針對空氣導(dǎo)管零件凸臺焊縫接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高焊縫接頭強(qiáng)度，延長零件使用壽命。

1 原焊縫接頭結(jié)構(gòu)

零件凸臺焊縫接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)、外筒體共有5個圓周凸臺焊縫，每個圓周均布6個凸臺，合計(jì)共有30個凸臺焊縫，通過真空電子束焊接將內(nèi)、外筒體進(jìn)行連接。

圖1 凸臺焊縫接頭結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)圖紙要求凸臺搭接接頭焊縫熔深為4mm,焊縫長度為1mm，焊縫寬度為2mm,電子束焊接采用非穿透焊接工藝，為防止將內(nèi)筒體零件擊傷，焊縫長度、寬度方向不能完全將凸臺覆蓋，同時，由于零件結(jié)構(gòu)因素影響，焊后無法進(jìn)行車加工，造成在焊縫長度、寬度方向存在著未熔合縫隙，降低了焊縫的接頭強(qiáng)度。

2 改進(jìn)方案

根據(jù)焊縫強(qiáng)度分析，內(nèi)、外筒體凸臺焊縫脫開將使端焊縫應(yīng)力水平增加最大可達(dá)32%。為了增加內(nèi)、外筒體凸臺焊縫的接頭強(qiáng)度，經(jīng)初步分析，擬定以下三種改進(jìn)方案，見圖2、圖3、圖4。

與原凸臺焊接接頭結(jié)構(gòu)相比，三種新方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如表1所示。

表1 原結(jié)構(gòu)與三種改進(jìn)方案對比表（單位：mm）

圖2 凸臺結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案1示意圖

圖3 凸臺結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案2示意圖

圖4 凸臺結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案3示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 焊縫方向選擇試驗(yàn)

凸臺焊縫采取周向或軸向進(jìn)行焊接，可通過在8×8mm的凸臺上進(jìn)行軸向和周向兩種方向的焊接試驗(yàn)進(jìn)行確定。

試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，如采用軸向焊接，為保證焊接長度≥6mm，起收弧段的長度必須在20mm以上，否則將形成較深凹坑，如圖5a所示；而周向焊接由于空氣導(dǎo)管外筒體有整周加強(qiáng)筋，可以滿足起收弧長度要求，如圖5b所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，凸臺的焊接方向選用周向焊接。

圖5 焊接方向試驗(yàn)示意圖

3.2 焊縫強(qiáng)度對比試驗(yàn)

由于凸臺的焊接屬于搭接結(jié)構(gòu)，焊縫的強(qiáng)度主要取決于焊縫結(jié)合面的熔合面積，因此凸臺的焊接試驗(yàn)主要圍繞增加焊縫結(jié)合面熔合面積來進(jìn)行。

在8×8mm的凸臺上增加焊接面積，可以采取增加焊縫長度和寬度（焊縫數(shù)量）的方法來實(shí)現(xiàn)。分別采用6mm、8mm、8mm完全焊滿以及1道焊縫，3道不同間距的并列焊縫進(jìn)行組合焊接，形成了12種性能試樣，對這些試樣進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

結(jié)果表明， 8mm完全焊滿的試樣彎曲力最大，而3道間距為0.5mm的并列焊縫，不僅拉伸和彎曲力值大，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

表2 凸臺試樣焊接方法

采用同樣的方法進(jìn)行模擬試環(huán)的焊接，6種方法與試環(huán)上的6處凸臺對應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

焊后的試環(huán)如圖6所示。

表3 試環(huán)焊接試驗(yàn)

圖6 凸臺試環(huán)焊縫示意圖

3.3 飛濺粘連情況對比試驗(yàn)

根據(jù)焊縫脫開力試驗(yàn)對比，凸臺周向完全焊滿長度8mm比原結(jié)構(gòu)焊接6mm強(qiáng)度明顯增大，但焊滿8mm在內(nèi)筒體凸臺兩側(cè)存在焊接飛濺物和擊傷。為防止內(nèi)外筒體之間飛濺物脫落對空氣導(dǎo)管使用造成影響，經(jīng)討論在凸臺兩側(cè)增加防飛濺工藝槽，具體結(jié)構(gòu)見方案三，詳見圖7。

圖7 凸臺新結(jié)構(gòu)示意圖

分別采用工藝槽寬度3mm、4mm、5mm的試板進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，焊接方法見表4。

表4 帶工藝槽的試板焊接

試驗(yàn)結(jié)果表明，寬度為4mm和5mm的工藝槽基本可以保證將焊接飛濺物完全封閉在工藝槽內(nèi)，而3mm寬的工藝槽兩側(cè)棱邊上已經(jīng)有焊瘤出現(xiàn)，因此工藝槽寬度選擇為4mm。

4 結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果對比看出，凸臺結(jié)構(gòu)改進(jìn)行方案選擇方案三焊接結(jié)構(gòu)形式，采用3道間距為0.5mm的并列焊縫，在結(jié)合面上實(shí)現(xiàn)長度8mm完全焊滿、寬度不小于2mm的焊縫，焊縫強(qiáng)度比原結(jié)構(gòu)明顯加強(qiáng)，且飛濺物能夠控制在工藝槽內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

［1］王之康,高永華,徐賓.真空電子束焊接設(shè)備與工藝［M］.北京：原子能工業(yè)出版社,1990.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.017

作者簡介：鄒武（1988-），男，學(xué)士，助理工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)制造質(zhì)量控制、故障分析、失效預(yù)防等方面的研究。