电子束焊接在中小航空发动机上的应用

蒋绍堂

(中国南方航空工业(集团)有限公司新品试制中心,湖南株洲 412002)

电子束焊接在中小航空发动机上的应用

蒋绍堂

(中国南方航空工业(集团)有限公司新品试制中心,湖南株洲 412002)

介绍了电子束焊接的基本特点及在“中小航空发动机”上的应用,分析了典型零件、典型材料的电子束焊接工艺。

电子束 焊接 应用

1 电子束焊接的特点及在“中小航空发动机”上的应用

电子束焊接是一种能量密度极高的高能束流(电子束)加工技术,它是利用电子枪发射出的高能量密度的电子流,经过静电磁场和电磁透镜加速和聚焦后与材料相互作用,使机械能转化为热能后实现材料的加热加工。电子束焊接技术作为一种高能量密度的特种加工方法,具有其他很多加工技术不可比拟和不可替代的优势。

随着航空技术的发展,对航空发动机提出更高的要求,特别是中小新型航空发动机中高性能难加工材料、精铸件的使用增多,对难加工材料及精铸件连接提出更高要求,对焊缝的承载能力要求越来越高,焊后加工余量越来越少,甚至不加工,要求焊接变形小,焊接热影响区小。电子束焊接作为高质量、精密连接技术经过50多年的发展已经广泛应用到航空、航天等各个领域,特别是“中小发”上的应用广泛。

电子束焊接是利用电子束作为热源对材料进行加热,实现材料连接。电子束焊接一般是在真空工作室中进行,工作时主要有2个特点:功率密度高和精确、快速的可控性。正是主要由于电子束焊接的两大特点,使得同其他焊接方法相比,电子束焊接具有如下优点。

(1)电子束焊接穿透能力强,焊缝深宽比大,可达到50:1(图1所示),使得电子束焊接接头的变形很小,实现精密电子束焊接。

(2)可焊材料的范围很广。电子束焊接除了可以焊接其他焊接方法容易焊接的材料如钢、铜等外,对于一些难焊材料如钛合金、高温合金GH2132、铸造高温合金K163等同样有较高的工艺适应性。(3)电子束焊接的可达性和可控性好,非常容易实现自动化。(4)电子束焊接在真空环境下进行,真空环境利于提高焊缝质量。特别适于活泼金属的焊接,如钛合金零件的焊接。

图1 电子束焊缝与氩弧焊焊缝对比

图2 电子束焊缝热影响区中的微裂(50×)

图3 电子束焊缝中的气孔(100×)

2 电子束焊接工艺

2.1 焊接工艺参数的调整

电子束焊接工艺参数主要有电子束流(即焊接电流)、加速电压、焊接速度、聚焦电流和离焦量等。焊接电流和焊接速度是主要调整的工艺参数。焊接热输入是焊接工艺参数综合作用的结果,对于同一种材料,焊接厚度和焊接热输入有对应的函数关系。电子束焊接时,热输入的计算公式为:

式中q——热输入;Ub——加速电压;Ib——电子束流;V——焊接速度。

热输入与电子束焊接功率成正比,与焊接速度成反比。通过调整电子束的各主要参数,来改变电子束焊接功率,调节焊接热输入,控制焊缝成形质量。利用电子束的精确、快速的可控性特点,电子束可加工材料厚度的范围大,即可以实现薄板之间的连接又可以焊接厚板,应用范围广泛。

2.2 典型材料的电子束焊接工艺

随着航空发动机技术的发展,电子束焊接技术促使钛合金、高温合金和铸造高温合金焊接结构件在航空发动机的制造技术中获得广泛运用。

2.2.1 钛合金电子束焊接

电子束焊接非常适用于钛及钛合金材料加工。真空环境焊接冶金质量好、焊缝窄、深宽比大、焊缝角变形小、焊缝及热影响区晶粒细、接头性能好,焊缝和热影响区不会被空气污染。焊接过程中焊缝向母材过渡不平滑,易出现气孔。预防气孔措施:(1)焊接前采用酸洗和机械加工清理干净;(2)其次使用电子束摆动可改善焊缝成形、细化晶粒和减少气孔;(3)适当限制焊接速度,增加搅拌,使焊缝中的气体能够快速逸出。

2.2.2 铸造高温合金电子束焊接

铸造高温合金电子束焊的焊接缺陷主要是热影响区液化裂纹及焊缝中的气孔等。热影响区的裂纹多分布于焊缝钉头转角处,并垂直于融合线向母材延伸(图2)。形成裂纹的几率与母材裂纹敏感性密切相关。防止裂纹的措施是:(1)采用含杂质低的优质母材,减少晶界的低熔点相;(2)在保证焊透的前提下,采用较低的热输入,防止热影响晶粒长大和晶界局部液化;(3)控制焊缝成形,减少应力集中。

[1]邹茉莲.焊接理论及工艺基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,1994.

[2]刘春飞.电子束焊接技术发展历史、现状及展望[J].航天制造技术,2003(10).

[3]吴林.焊接手册、焊接方法与设备[M].北京:机械工业出版社,2002.