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大型风扇静子叶片焊接组合件加工工艺研究 |
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作者：中航工业西安航空发动机集团 余杰 |
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摘 要：针对大型风扇静子钛合金叶片组合件（TC4）的设计及加工特点，对其电子束焊、新型精密定位和组合加工工艺进行研究，通过改进定位方式，优化工艺参数，有效控制了薄壁零件的加工变形，探索出适合大型风扇静子叶片组合件的典型加工工艺和方法，提高了加工效率，保证产品质量。
关键词：双冠薄型面 电子束焊 精密定位
0 引言
大型风扇静子叶片为双冠“S”型多段薄型面结构，采用组合加工与特种工艺相结合的加工手段。其叶片型面复杂，扭转大，进、排气边薄，强度低，易变形。组合件的外缘板采用电子束焊接，内缘板自由相接，焊缝为U 型结构，叶片内环为自由状态、有槽子，且相对独立，焊接时容易变形和张口。为控制变形，焊接时选择合理的焊接参数，在组合加工过程中采用精密定位方式，然后将组合件浇注成为一个整环进行组合加工，确保组合件加工质量的稳定。
1 组合件结构及加工特点分析
大型风扇静子叶片组合件为双冠薄型面结构，由叶片拼圆焊接组成，叶型空间曲面复杂，叶身型面长约220mm、叶型扭转大（X 轴与发动机轴线约28°）、型面最大厚度为5mm，焊缝间距较小，整体刚性较差，其结构如图1 所示，因无法使用单一的夹具定位等方式，需采用氩弧焊定位。由于叶片材料为钛合金，点焊时容易氧化，影响电子束焊质量，故需要选择合理的定位方式和保护措施。组合件的外缘板采用电子束焊接，内缘板自由相接，这给电子束焊控制变形量和内缘板张口尺寸，增加难度。自由状态的内缘板在组合加工过程中，很难定位和夹紧，通过分析，采用了浇注石蜡的工艺方案，经过实验，满足车削要求，保证了产品质量。
图1 大型风扇静子叶片结构示意图
2 组合件焊接技术
2.1 可焊性分析
钛合金化学性质活跃，容易与空气中氮、氢、氧等气体发生反应，故手工焊尽量采用氩弧焊，真空电子束焊比较适合钛合金的焊接。TC4属于Ti-Al-V 系合金，含Al（4.5%~6.0%）V(3.5~4.5)%，相当于Ti-6Al-4V，合金含量较高，总体焊接性良好。但零件焊接厚度最厚达12mm，母材中或保护气体中若掺杂不纯气体和外部杂质（如水分，油脂，氧化物）就会造成对母材表面层的污染，且形成气孔，飞溅，咬边，未焊透等焊接缺陷，容易产生应力集中及焊接变形。
针对上述问题，采取如下工艺措施：第一，焊前对工件接头附近表面进行机械清理后（特别是对接端面），再进行酸洗，然后再用白绸布蘸丙酮对对接面进行擦洗，同时保证焊接用的辅助装置清洁无油污保证；第二，选择合适的焊接方案，适当预留收缩量，增加宽度（0.10~0.15）mm，补偿焊接收缩。第三，焊前进行预热，焊后进行热处理，以减小焊接应力，保证尺寸稳定性。
2.2 焊接定位
为满足组合件的高精度要求，在零件的定位焊前需将各零件装配在夹具上，并且对叶片缘板错位和间隙大于0.05mm 的部位进行修配，达到装配定位过程中叶片间的间隙要求、避免装配时应力集中。
采用氩弧焊定位，定位焊点不允许有裂纹、气孔、夹渣，零件表面不能有电弧烧伤，焊点颜色应为银白色或淡黄色。焊点尺寸应尽量小，要求不大于1.5mm，完全覆盖后续的电子束焊接焊缝，降低焊缝缺陷存在的可能性。
在充分考虑叶片结构和焊接特点后，设计了专用工装的同时，采用焊接时向焊接处吹氩气方法，但在吹氩气时，焊接时若温度过高，管子容易被烧焦。经过试验，将氩弧焊陶瓷焊嘴改装为氩弧焊保护装置，当氩弧焊点焊组合件一端时，在另一端用氩弧焊焊嘴向焊缝对吹，既保证陶瓷焊嘴不被烧坏，也保证了零件不会被氧化。
2.3 变形控制
根据焊接熔焊原理，焊接会发生相应的应力应变，一般情况下采取一些预防措施是可以适当减少焊接变形的。但是该零件的焊接结构是一端焊接（外缘板焊接）、另一端保持自由状态，并且不固定，造成了两端热输入完全不对称，且热变形不能相互抵消，难以保证公差在±（0.04~0.05）mm 的范围之内。
根据组合件结构特点采取如下措施：
1）合理安排焊接顺序。组合件由4、5、6个叶片组成，经过多次试验，电子束焊焊接顺序如图2 所示进行（4、5 叶片组先中间后2 边；6 叶组先中间，其次再最外2 条焊缝，然后靠近中间的2条焊缝），将达到很好的焊接效果，满足了设计要求。焊后待零件冷却后在拆除工装，使应力在冷却前完全得到释放。测出纵向收缩量在(0.05~0.12)mm，横向收缩量在(0.04~0.15)mm 范围中。
图2 电子束焊焊接顺序示意图
2）反变形法。不焊端预留间隙小不超过0.03mm 塞尺不过，外缘板端预留间隙最大可达0.1mm，根据一般焊接的变形原理按照预变形的反方向提前将变形量加在收缩量里可达到零件反方向变形效果。
3）交叉对角法。根据焊接热应力应变的原理，使零件变形在内部相互抵消，焊接顺序确定后，在相邻的2条焊缝之间采用反向焊接方法，达到减少焊接变形的目的。
2. 4 焊接参数的确定
不同的焊接参数见表1，通过调整焊接参数和对比焊缝外观成型效果，并对焊缝进行100%X 光射线检查，确定序号4为理想的加工焊接参数。表1 电子束焊接参数列表
 3 组合加工工艺研究
3.1 新型精密定位组合件
由于组合件在车削过程中没有压紧点，叶片内环保持自由状态，且相对独立、不固定，并且要求内环有槽子，因此增加了对组合件车削的难度。
解决方案为：将组合件浇注成一个整环，将工装底面设计成与叶片内外缘板有相同的台阶，并与叶片安装板有相同的槽子，然后压紧叶片内外缘板，在上面增加一个圆环，完全压住组合件，将组合件固定在车床夹具上；如果选择浇注锡铋合金，叶片流道面积太大，单是锡铋合金的重量就能达到1000kg，这样重的重量不便于车削装夹，搬运起来就更加困难。
经过试验，用浇注石蜡的法，减轻重量，便于搬运和装夹；同时，通过改变蜡中松香的成分可调节石蜡的强度，满足车削中的强度要求。
3.2 组合加工组合件
组合件最终示意图如图3 所示，通过工艺分析，采用分刀车削的办法，先车外圆，再以外圆为基准，车削安装板。内环则采用先车内圆，再车内环和槽子的方法。由于零件尺寸大，必须有效的控制进刀量，防止断刀，保证车削的光度要求。
图 3 组合件示意图
3.3 清除浇注石蜡
经过咨询资深专家和试验，找到了清除浇注石蜡的最佳方法，先将浇注石蜡的组合件在有熔化石蜡的液态溶液里熔化，去除大部分石蜡，再在煤油里浸泡，10min 之后用毛刷一刷，石蜡可去除干净。
4 结论
大型风扇静子钛合金（TC4）组合件采用合理的定位夹紧方式和焊接参数，有效的控制了组合件的张口尺寸、焊接变形以及零件焊接过程收缩量。首次采用新型精密定位组合加工大型风扇静子叶片组合件，提高了加工效率，保证了产品质量。为同类型零件的制造生产积累了经验，具有推广价值。
参考文献：
[1] 陈祝年.焊接工程师手册［M］.北京：机械工业出版社，2007.
[2] 陈裕川.焊接工艺评定手册［M］.北京: 机械工业出版社, 2000.
[3] 机械加工工艺装备设计手册编委会.机械加工工艺装备设计手册［M］.北京: 机械工业出版社, 1998.
[4] 薛源顺.机械夹具图册［M］.北京: 机械工业出版社, 2002.
作者简介：
余杰 （1980-），男，四川仁寿，工程师，主要从事航空发动机叶片机械加工和焊接技术研究。(end)
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(7/26/2012) |
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