空氣導管電子束焊搭接接頭結構改進研究

摘 要：某型航空發動機空氣導管組件采用電子束焊接工藝，內、外筒體凸臺焊縫采取搭接接頭結構進行連接，由于焊縫結構影響，焊后無法對焊縫未熔合縫隙進行車加工，零件在長期使用過程中，發現內外筒體凸臺焊縫存在開裂現象。本文通過工藝試驗對接頭結構進行優化改進，提高了焊縫接頭強度，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，避免對內、外筒體零件的擊傷。

關鍵詞：空氣導管；電子束焊接；搭接接頭

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

0 前言

真空電子束焊接工藝具有穿透能力強、熱影響區小、深寬比大等優點，廣泛應用于航空發動機零部件的制造中。某機空氣導管組件，由內外筒體零件經電子束焊接而成，材料為TC11。該組件共有8條電子束焊接焊縫，包括環焊縫、搭接焊縫以及端面焊縫，其中，內、外筒體凸臺焊縫采用搭接接頭結構，零件使用一定時間后，外場發現凸臺焊縫處出現開裂。經過分析，凸臺焊縫開裂主要由于焊縫接頭強度相對較低，一旦端面焊縫出現疲勞裂紋，凸臺焊縫極易出現開裂現象，影響零件的使用壽命。因此，有必要針對空氣導管零件凸臺焊縫接頭結構進行優化，提高焊縫接頭強度，延長零件使用壽命。

1 原焊縫接頭結構

零件凸臺焊縫接頭結構如圖1所示，內、外筒體共有5個圓周凸臺焊縫，每個圓周均布6個凸臺，合計共有30個凸臺焊縫，通過真空電子束焊接將內、外筒體進行連接。

設計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，由于零件結構因素影響，焊后無法進行車加工，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度。

2 改進方案

根據焊縫強度分析，內、外筒體凸臺焊縫脫開將使端焊縫應力水平增加最大可達32%。為了增加內、外筒體凸臺焊縫的接頭強度，經初步分析，擬定以下三種改進方案，見圖2、圖3、圖4。

與原凸臺焊接接頭結構相比，三種新方案的結構特點如表1所示。

3 試驗驗證

3.1 焊縫方向選擇試驗

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

試驗結構如圖5所示。試驗結果顯示，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管外筒體有整周加強筋，可以滿足起收弧長度要求，如圖5b所示。

根據試驗結果，凸臺的焊接方向選用周向焊接。

3.2 焊縫強度對比試驗

由于凸臺的焊接屬于搭接結構，焊縫的強度主要取決于焊縫結合面的熔合面積，因此凸臺的焊接試驗主要圍繞增加焊縫結合面熔合面積來進行。

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（焊縫數量）的方法來實現。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行組合焊接，形成了12種性能試樣，對這些試樣進行拉伸和彎曲試驗，試驗結果如表2所示。

結果表明， 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，且數據穩定。

采用同樣的方法進行模擬試環的焊接，6種方法與試環上的6處凸臺對應，試驗結果見表3。

焊后的試環如圖6所示。

3.3 飛濺粘連情況對比試驗

根據焊縫脫開力試驗對比，凸臺周向完全焊滿長度8mm比原結構焊接6mm強度明顯增大，但焊滿8mm在內筒體凸臺兩側存在焊接飛濺物和擊傷。為防止內外筒體之間飛濺物脫落對空氣導管使用造成影響，經討論在凸臺兩側增加防飛濺工藝槽，具體結構見方案三，詳見圖7。

分別采用工藝槽寬度3mm、4mm、5mm的試板進行試驗驗證，焊接方法見表4。

試驗結果表明，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，而3mm寬的工藝槽兩側棱邊上已經有焊瘤出現，因此工藝槽寬度選擇為4mm。

4 結論

從試驗結果對比看出，凸臺結構改進行方案選擇方案三焊接結構形式，采用3道間距為0.5mm的并列焊縫，在結合面上實現長度8mm完全焊滿、寬度不小于2mm的焊縫，焊縫強度比原結構明顯加強，且飛濺物能夠控制在工藝槽內。

參考文獻：

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

作者簡介：鄒武（1988-），男，學士，助理工程師，主要從事航空發動機制造質量控制、故障分析、失效預防等方面的研究。