电子束焊在航空发动机制造中的应用

摘 要：作为航空制造业发展不可或缺的技术，电子束焊接技术能够在很大程度上提升航空发动机的制造水准。该技术的普及将发动机中多种材料的轻量化以及无缝焊接化成为现实，为航空发动机的整体制造流程提供了新的思路。本文介绍了电子束焊接技术在风扇机匣、压缩机、涡轮制造以及燃烧室制造等工艺流程中的应用，以期为工业技术人员提供参考。

关键词：电子束焊;航空工业;发动机

引言

从上世纪中叶兴起的电子束焊接技术现已广泛应用于航空制造业，该技术以其功率密度高、零件不易变形、焊接残余应力小且焊缝优良等优点牢牢占据着航空制造业的核心技术地位，在其他焊接技术面前显示出巨大的优势。

1.风扇机匣制造中的电子束焊接

为了将发动机的重量控制在预设范围内，就应该在制造航空发动机的过程中引入新型材料与先进技术，使用钛合金作为风扇机匣的原料，采用外壳外圈与定子叶片之间的电子束焊接技术，简化了制造过程。电子束焊接热输入小且零件变形小，可实现一次数控编程完成焊接。除此之外，该技术生产效率高，焊接质量好。为了进一步减轻重量，在保证变速箱强度和刚度的前提下，将变速箱壁厚减至2mm。

由于风机机壳的风道在焊接后无法加工，首先要选择合适的焊接工艺参数，使钛合金材料能够焊接成单面焊和双面成形。在焊接过程中，不能产生严重的焊接飞溅，焊缝背面不能太高，否则会影响机壳空气流道内气体的运动。因此，采用适当的焊接工艺方案和焊后热处理工装，保证焊后零件变形最小。最后，编制合理可行的数控程序，完成零件的焊接。

2.压缩机制造中的电子束焊接

在进行压缩机零部件的制造时，电子束焊接技术的用武之地同样很多。其中，壓缩机中的转子通常是由GH4169材料与钛合金组成，该转子的主要特点就是速度非常快，每分钟的转速在几千到几万。机械连接具有结构简单、运行可靠的优点，但转子零件多，制造偏差会影响转子的对中和平衡，连接结构应加宽加厚以增加转子的重量。随着焊接技术的发展，现代先进发动机转子的焊接方法越来越多，转子的焊接一般采用电子束焊和摩擦焊。

焊接的鼓盘转子不需要连接件。在焊接过程中，必须保证各部件的同心度和跳动量要求，从而有效减轻结构重量，提高转子的工作可靠性。然而，转子的焊接方法对焊接工艺有很高的要求。零件的焊接质量必须保证达到验收标准的要求，其焊接质量应非常稳定。一个焊缝的质量不合格，可能导致整个转子无法使用。因此，必须要提高焊接技术水平，从而确保高精度、小变形、无氧化、高强度、低残余应力和稳定的质量。由此可知，转子的电子焊接必须有大型数控电子束焊接设备和成熟的焊接工艺，还要依靠焊接工装和合理的工艺。

在压缩机转子电子束焊接结构件的制造中，焊缝容易产生气孔缺陷，尤其是钛合金。由于转子零件的焊接阶段多，生产成本高，一般需要保证焊接成功。由于焊后探伤前基体被去除，一旦焊缝中出现缺陷（如气孔），一次性补焊很难完全消除。转子零件焊接前，应在模拟件上验证焊接工艺参数的合理性。为防止气孔的产生，在焊接接头的基体上加工排气槽，焊接前应将接头清洗干净，然后根据不同材料对接头进行化学和机械清洗。焊接过程中采用熔透焊接，有利于消除气孔缺陷，但要做好焊接飞溅的防护工作，焊接热输入大，零件易变形。在非熔透焊接中，必须将焊接过程中产生的缺陷尽可能深地引入到焊接基体中，然后在不改变焊接工艺的情况下去除基体为保证焊接质量，应将基体加厚并焊接到基体背面进行微熔透，使其不产生飞溅烧伤和粘附问题，且零件变形易于控制。

由于有些零件的内表面焊后不能加工，转子零件焊后的同心度、焊接收缩率和跳动值都非常严格。因此，必须从焊接工艺、焊接和热处理工装等方面采取措施，防止转子变形为了进一步减轻转子零件的结构重量。现代先进发动机采用了整体叶盘的制造技术，使叶盘与叶片之间的连接根据加工难度和经济性采用整体加工或线性摩擦焊接连接，大大减轻了转子零件的重量。盘与盘的连接采用电子束焊接技术，该技术已在西方国家的航空发动机压气机转子上得到应用。目前，国内在这一领域的研究工作进程正在加快。

3.涡轮制造中的电子束焊

在燃气轮机部件中，盘轴采用电子束焊接或摩擦焊连接，是最简单的不可拆卸结构，中间没有连接且重量最轻。但由于汽轮机部分是轴承转动部分，在工作过程中承受较大的扭转载荷，焊接时必须保证盘、轴的同心度和跳动量要求，因此对焊接接头的质量要求非常严格。

与整体结构相比，焊接结构降低了加工难度，节省了材料且经济性好。国外发动机的高压涡轮采用电子束焊接结构盘，轴的焊接结构必须考虑各种工况下不同材料焊接接头的影响，在汽轮机导叶的制造过程中，焊接接头的位置应尽量放在应力小、壁厚薄的位置。因为它不仅承受着较大的气动力和不稳定的脉动载荷，而且被高温气体所包围，具有高温、冷热变化大、温度不均匀性严重等特点，热冲击和热疲劳成为叶片失效的主要原因之一。在这种情况下，导叶一般做成单叶或双叶、三叶组，便于装配、定位和公差控制，损坏后便于更换。导叶材料为铸造高温合金，这种材料很硬且价格昂贵。为了提高叶片的冷却效果，提高叶片的工作质量，一般采用空心叶片。为了进一步提高发动机涡轮前的工作温度，现代先进发动机采用了许多耐温性较高的新材料。

4.燃烧室制造中的电子束焊

在发动机燃烧室的制造过程中，电子束焊接得到了广泛的应用。燃烧室部件是发动机中热负荷最大、重量轻的部件，燃烧室部件容易发生故障，危及自身及其它部件的安全。因此在燃烧室壳体的制造中，要求燃烧室部件的制造质量较高，采用电子束焊接的方法将安装边缘与钣金件焊接在一起，大大节省了材料。现代发动机大多采用环形燃烧室结构，燃烧室和外壳采用电子束焊接结构。焊接时一般采用GH4169材料，多为薄壁件，从而保证焊缝质量达到验收标准一级要求。焊缝前后侧均采用成型良好的电子束焊接，完成燃烧室壳体、前扩压器和内部的连接弹壳。在齿轮箱内壳的生产中，涉及GH141材料的电子束焊接，焊接后在焊接接头处发现微裂纹。针对这种情况，分析判断为应变时效裂纹。由于电子束焊接的结构特点，应控制电子束焊接的热输入，防止零件变形根据零件的具体结构，在某些情况下，为了防止焊接过程中产生的飞溅和焊瘤影响发动机的使用，必须采用非熔透焊接工艺。

5.其他组件制造中的电子束焊

液压执行器调节发动机尾喷管的尺寸是发动机的关键部件。由于液压缸壁厚小，在焊接过程中，首先要严格控制焊接变形，保证缸内活塞的自由往复运动;其次，零件的温升必须很小，以确保焊接热循环对活塞密封圈的质量没有影响;第三，在确保有效焊接段完全焊接的情况下，气缸内没有焊接飞溅，这必须从焊接接头的设计上解决;第四，选择较小的焊接热输入量，采用局部熔透工艺和用铜冷铁块带走焊接热的方法是必要的。

结论

随着飞机发动机研发和生产压力的加大，相关行业承担着飞机发动机研发、试制和批量生产的重任，主要包括一、二、三级风机机壳等180多种零部件，各种高低压压缩机转子、高压涡轮机壳、燃烧室机壳、火焰筒组件等，涉及不锈钢、高温合金、钛合金等多种材料，焊接产品质量稳定，满足军事安装需要。评定试验无焊接质量问题。先后解决了钛合金材料电子束焊接中的气孔、焊后GH141材料的裂纹等技术问题，焊接技术力量雄厚，今后将用于我国大型军用和民用飞机发动机。

参考文献

[1] 王亚军， 马翔生. 电子束焊接在原苏联航空发动机制造中的应用[J]. 航空制造技术， 1993（1）：26-28.

[2] 康文军， 梁养民. 电子束焊在航空发动机制造中的应用[J]. 机械制造文摘（焊接分册）， 2012（5）：30-33.

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