電子束焊在航空發動機制造中的應用

馬宇

摘 要：作為航空制造業發展不可或缺的技術，電子束焊接技術能夠在很大程度上提升航空發動機的制造水準。該技術的普及將發動機中多種材料的輕量化以及無縫焊接化成為現實，為航空發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，以期為工業技術人員提供參考。

關鍵詞：電子束焊;航空工業;發動機

引言

從上世紀中葉興起的電子束焊接技術現已廣泛應用于航空制造業，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良等優點牢牢占據著航空制造業的核心技術地位，在其他焊接技術面前顯示出巨大的優勢。

1.風扇機匣制造中的電子束焊接

為了將發動機的重量控制在預設范圍內，就應該在制造航空發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，可實現一次數控編程完成焊接。除此之外，該技術生產效率高，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，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氣體的運動。因此，采用適當的焊接工藝方案和焊后熱處理工裝，保證焊后零件變形最小。最后，編制合理可行的數控程序，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。隨著焊接技術的發展，現代先進發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、低殘余應力和穩定的質量。由此可知，轉子的電子焊接必須有大型數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的合理性。為防止氣孔的產生，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?，F代先進發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加工難度和經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動機壓氣機轉子上得到應用。目前，國內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，節省了材料且經濟性好。國外發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。為了進一步提高發動機渦輪前的工作溫度，現代先進發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。燃燒室部件是發動機中熱負荷最大、重量輕的部件，燃燒室部件容易發生故障，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，大大節省了材料?，F代發動機大多采用環形燃燒室結構，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、前擴壓器和內部的連接彈殼。在齒輪箱內殼的生產中，涉及GH141材料的電子束焊接，焊接后在焊接接頭處發現微裂紋。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，防止零件變形根據零件的具體結構，在某些情況下，為了防止焊接過程中產生的飛濺和焊瘤影響發動機的使用，必須采用非熔透焊接工藝。

5.其他組件制造中的電子束焊

液壓執行器調節發動機尾噴管的尺寸是發動機的關鍵部件。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

隨著飛機發動機研發和生產壓力的加大，相關行業承擔著飛機發動機研發、試制和批量生產的重任，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，焊接產品質量穩定，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動機。

參考文獻

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