YANGHUIMIN

随着现代发动机技术的快速发展，对发动机零件的性能有了更高的要求，作为航空发动机关键部件的机匣类零件，其结构相应变得更加复杂，这给加工制造带来了难度[1]。实际生产中，因机匣尺寸超差而造成产品报废的问题屡见不鲜，对发动机的研制进度造成不利的影响，同时原有机匣经一次试验后就闲置，利用率较低。因此，为降低生产成本、保证生产进度，可切割掉机匣尺寸超差区域，采用焊接的方法，用已有类似机匣的相应部分来代替，以满足使用要求。

本文以生产中面对的具体问题为例，基于电子束焊的原理及特点，创新性地研究其在航空发动机机匣补加工方面的应用，并对焊接结果进行了分析。

问题提出及解决方案

处于加工状态的某型机匣结构如图1所示，包括外机匣、整流叶片、内机匣3部分。在加工内机匣时，基准B尺寸严重超差，造成该机匣无法使用。现有发动机试验后闲置的类似机匣如图2所示，虽然外机匣右端尺寸不一致，但内机匣尺寸、形位公差完全相同。

图1  加工超差的机匣结构示意图

图2  已有的机匣结构示意图

考虑到零件材料为1Cr18Ni9Ti，焊接性能良好。为保证生产任务按进度顺利进行，将两机匣按尺寸进行切割，利用焊接方法将已有机匣的相同部分代替正加工机匣的超差部分，如图3所示。

图3  补加工技术解决方案

焊接方法的选择

电子束焊是一种高能束流的焊接技术，其原理是通过空间定向高速运动的电子束撞击工件表面，将动能转化成热能熔化被焊金属，金属冷却凝固后形成焊缝。如图4所示，经加速和汇聚功率密度很高的电子束撞击到零件表面，金属迅速熔化和蒸发形成匙孔，匙孔被液态金属包围。随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿小孔流向熔池后部，冷却凝固形成焊缝[2]。

图4  电子束焊接焊缝成形原理[2]

与传统的焊接方法相比，该技术具有独特的优势[3]：

（1）功率密度高，穿透能力强，一次熔深范围广，焊缝深宽比大；

（2）焊接速度快、效率高，热影响区小，变形易控制，接头力学性能高；

（3）可控性好，能有效控制焊缝尺寸和熔深，同时对电子束能量和工作状态均可方便而准确地调节和控制，可以实现复杂接缝的自动焊接。

因此，选择电子束焊作为机匣补加工的焊接方法。

电子束焊过程实施

1 焊接接头方式的选择

对接头方式提出了普通对接和带止口对接两种方案，如图5所示。普通对接定位需在外机匣内壁上安装定位环，定位环易变形、难安装，且容易将定位环和外机匣焊接在一起，后期处理麻烦。带止口对接可通过底端的台阶保证径向位置，防止窜动，定位较准确，故选用带止口对接方式。

图5   焊接接头方式

焊接接头装配精度对焊接变形、焊缝质量的影响很大，因此采用如图6所示的定位工装。左端为焊接定位底板，右端为焊接定位压盖，二者通过双头螺栓把机匣固定在一起。工装材料采用LY12，该材料易加工，密度小，能保证零件及工装重量不超过电子束焊机的承重范围。

图6  焊接定位工装

2 焊前预处理

由于电子束流容易受到磁场的影响而发生偏转，因此，对零件的磁场强度要求不大于1×10-4T。由于该机匣材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti、工装材料为LY12，磁场强度弱，不必对机匣及定位工装退磁。

电子束焊对零件焊接面的清洗要求比较高，若焊前清理不干净，会导致焊缝出现杂质、气孔等现象，影响焊接的力学性能。因此在焊接前，针对焊接接头内部及表面区域，先用汽油清洗去除油、锈、氧化物及其他杂质，再用丙酮擦洗清理。

3 焊接参数选择

焊接参数主要包括加速电压、焊接电流、聚焦电流、速度和工作距离等。焊接电流与焊接熔深有关。聚焦电流影响焊接接头形状。因此，为获得高质量的焊缝，必须合理调节焊接参数[4]。

参照线能量公式q=IU/v，根据具体情况和相关试验灵活调整焊接速度、聚焦电流以及焊接电流等参数的大小，在试件上进行焊前试验，通过试片的焊接、切割及剖面腐蚀检查，选取焊缝质量好的参数作为焊接参数，如表1所示。

表1  焊接工艺参数

焊接过程中采用了定位焊、封焊、正式焊和修饰焊的顺序。定位焊用于固定零件接口的相对位置，防止零件焊接受热变形产生相对位移。封焊采用较小的焊接电流，对零件进行了固定。修饰焊可以消除零件表面缺陷，保证焊缝表面平整、美观。焊接完成后，将零件置于真空室一段时间，使热量不致散失过快，降低焊缝的冷却速度，利于接头区晶粒的生长，降低因应力分布不均造成的焊接变形。

结果分析

采用相同焊接工艺及方法进行了试件的焊接，性能测试结果如表2所示。

表2  焊缝性能测试结果

经对试件进行拉伸检测，其抗拉强度达到母材强度的87%。经观察，焊缝及近缝区的颜色与母材金属相近，焊缝均匀。经100%表面着色检查后，在表面未发现裂纹及其他缺陷。接头不存在未焊透、未熔合。经X射线探伤检查，接头内部不存在带尖角的气孔及夹杂物，单个气孔最大尺寸为1.45mm，且气孔间距大于2倍的气孔直径，任何75mm长焊缝上气孔的最大累积长度小于7mm，焊缝达到Ⅱ级标准要求。

焊接后经调质处理，焊缝及热影响区的组织得到了有效的改善，焊接接头的韧性得到了提高，同时残余应力得到了释放。经车工车掉焊缝表面余高，满足航空发动机机匣的使用要求。

针对机匣加工超差问题，选用类似的已有闲置机匣，基于电子束焊技术，将超差的部分进行切割、焊接替换。介绍了电子束焊的原理及优势，确定了搭接的接头方式，经焊前预处理，选择了合适的焊接参数。通过焊缝力学性能检查、表面检查、内部探伤，证明焊缝质量达到Ⅱ级要求，满足航空发动机机匣的使用工况。