先進(jìn)航空焊接技術(shù)

國際金屬加工網(wǎng)

　　焊接是航空發(fā)動機(jī)制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著對航空發(fā)動機(jī)高推重比、高可靠性、長壽命和低成本設(shè)計和制造要求的不斷提高矢腻，現(xiàn)已大量采用新材料、新結(jié)構(gòu)，如風(fēng)扇整體葉盤多柑、單晶渦輪葉片以及多孔層板結(jié)構(gòu)等奶是，焊接作為主要的加工工藝，其連接工藝性平俘、表面完整性宋泊、質(zhì)量穩(wěn)定性和使用可靠性已成為決定航空發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵因素。從先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢看猴豁，過渡液相擴(kuò)散連接（TLP-DB）湃改、焊接修復(fù)及增材制造技術(shù)、激光（復(fù)合）焊接技術(shù)和焊接表面完整性（焊縫性能恢復(fù)及增強(qiáng)技術(shù)）等會成為今后新結(jié)構(gòu)悲碰、新材料連接技術(shù)的重要發(fā)展方向丧足。

　　過渡液相擴(kuò)散連接（TLP-DB）

　　TLP-DB是針對新型高溫材料的高性能連接需求而發(fā)展的新型焊接技術(shù)，TLP采用與基體冶金性相匹配的中間層在焊接溫度下發(fā)生一定程度的熔化后填充焊縫泻磅，固液相之間相互擴(kuò)散蜗胖，隨后發(fā)生以基體為母晶的外延生長方式的等溫凝固，再經(jīng)過充分?jǐn)U散煞松，獲得與基體材料組織性能相近的焊縫組織袄雷。TLP-DB適用于難焊接材料的連接，如金屬間化合物芳争、單晶合金碳扯、氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）合金及異種合金等，而且焊縫綜合性能良好隐锭。美國于20世紀(jì)70年代在金屬間化合物合金導(dǎo)向葉片上率先采用TLP技術(shù)獲得成功窃躲，使不能采用熔焊方法實現(xiàn)可靠連接的新型高溫材料應(yīng)用范圍大大增加，降低結(jié)構(gòu)重量钦睡，提高了發(fā)動機(jī)性能蒂窒。

　　TLP一般分為液相生成（中間層的熔化或中間層與基體的共晶反應(yīng)）、等溫凝固（Isothermally Solidification）荞怒、成分和組織的均勻化（Homogenized）3個階段洒琢。典型的TLP焊縫見圖1[1]，TLP的主要優(yōu)點有：等溫凝固后接頭成分與母材相近褐桌，焊縫綜合性能好衰抑；比擴(kuò)散焊要求的壓力小或不加壓力，零件焊接變形杏丁呛踊；對結(jié)合面的氧化層清理要求低，有一定的“自清潔”能力啦撮，工藝適應(yīng)性廣谭网；接頭在較低的溫度下實現(xiàn)焊接汪厨，高溫性能好。

Incone1625合金的TLP焊縫

　　由于上述優(yōu)點卡宛，TLP在焊接復(fù)雜結(jié)構(gòu)及特殊材料高溫部件時體現(xiàn)出極好的工藝適應(yīng)性蛙檐，焊縫綜合性能好。國內(nèi)現(xiàn)已開展了相關(guān)研究胚闲，并已取得一定進(jìn)展贪犁，在一些高溫部件上已有應(yīng)用。今后的研究重點是： TLP連接中間層合金設(shè)計技術(shù)缭柄；特種材料TLP焊接的工藝問題檀氏，如焊接后熔蝕、多晶化及強(qiáng)化相控制技術(shù)等葵斗。

焊接修復(fù)及增材制造技術(shù)

　　每年全球航空發(fā)動機(jī)（燃機(jī)）零件单墓，尤其是熱端部件修復(fù)市場有數(shù)十億美元的規(guī)模个荔，國外的焊接修復(fù)技術(shù)已經(jīng)成熟杂虐、穩(wěn)定地應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片等熱端部件上，在可修復(fù)缺陷界定易贿、缺陷去除意沸、焊縫清理及焊后壽命評估方面已形成完整的工程化體系。目前烦租，國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片等熱端部件焊接修復(fù)存在的技術(shù)難點有：

　⊙佣摹（1）焊前缺陷的清理問題。高溫使用的發(fā)動機(jī)部件裂紋等缺陷內(nèi)部常沉積了大量的積碳和氧化物等叉橱，影響焊接修理質(zhì)量挫以。焊前將這些沉積物徹底清理難度較大，通常的機(jī)械打磨方式會對基體材料造成較大的損傷窃祝，打磨后形成的大間隙對后期修理有不利影響掐松。目前國外已采用一些新工藝來解決此類問題，如真空氣相清理技術(shù)等粪小。

　〈蠡恰（2）焊接過程中的問題。如高鋁鈦含量鎳基合金熔焊時由于γ相中γ′相析出而產(chǎn)生的熱裂紋和釬焊時焊縫中產(chǎn)生低熔點脆性相問題不易解決探膊，因此這些都是在技術(shù)開發(fā)中應(yīng)重點研究的問題杠愧。目前國內(nèi)已在一些發(fā)動機(jī)和燃機(jī)壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片上采用多種焊接工藝修理并取得較大進(jìn)展逞壁，但一些關(guān)鍵技術(shù)未能突破流济，還沒有達(dá)到國外的工程化、大批量成熟應(yīng)用水平债轰。

　　相對于渦輪葉片等熱端部件修復(fù)技術(shù)兄哮，整體葉盤修復(fù)技術(shù)基本還處于實驗室驗證階段肚微，歐美等國外研究機(jī)構(gòu)均長期投入巨資研究，目前有報道稱經(jīng)激光快速成型修復(fù)后葉盤通過試車考核参匀，但零件疲勞強(qiáng)度降低了20%~30％左右旭眼。

　　航空發(fā)動機(jī)整體葉盤結(jié)構(gòu)修復(fù)的研究重點是：可修復(fù)缺陷范圍的界定、缺陷去除范圍和評估昭仓、焊接修復(fù)工藝和變形控制技術(shù)料害、焊接缺陷控制及檢測技術(shù)、焊后局部熱處理技術(shù)凯辆、焊后零件自適應(yīng)加工及變形控制技術(shù)掸栋、焊后零件性能恢復(fù)（強(qiáng)化）技術(shù)、修復(fù)后零件質(zhì)量評估及壽命考核等宜裂，尤其對新型航空發(fā)動機(jī)整體葉盤零件浑季，修復(fù)后材料性能恢復(fù)和零件性能壽命考核是目前亟待解決的技術(shù)難題。

　　除常規(guī)的熔焊掀哎、釬焊方法修復(fù)外俩莽，近年來增材制造技術(shù)在焊接修復(fù)領(lǐng)域受到極大關(guān)注。增材制造技術(shù)因其在生產(chǎn)和維修方面的突出優(yōu)點而成為美國國防領(lǐng)域最具價值的技術(shù)之一乔遮。其中扮超，基于粉末的增材制造技術(shù)可用于修復(fù)航空發(fā)動機(jī)零件以及直接進(jìn)行快速成型制造，如電子束冶金方法（EBM）蹋肮、激光近凈成型（LENS）出刷、選擇性激光燒結(jié)（SLS）等。無論是焊接修復(fù)還是快速成型制造坯辩，它們均以數(shù)字化CAD模型為基礎(chǔ)馁龟，應(yīng)用分層制造思想，提取成型路徑漆魔，將粉末分層沉積到基體上坷檩，最終實現(xiàn)原始尺寸恢復(fù)或沿成型基面快速成形制造。采用了快速凝固技術(shù)后有送，可獲得非平衡態(tài)過飽和固溶體及組織均勻致密的金相組織 [2]淌喻，幾乎達(dá)到或超過鍛件水平。圖2為國外采用激光修復(fù)的單晶渦輪葉片和鈦合金葉片[3]雀摘。

　　激光復(fù)合焊接技術(shù)

　　激光的能量密度要比電子束高一個數(shù)量級宜柱，因此更能體現(xiàn)出高能束流的優(yōu)點，中航工業(yè)黎明公司完成的試驗表明编喊，鈦合金激光焊的室溫和高溫瞬時強(qiáng)度與電子束焊相當(dāng)拣薄，但激光焊接形成的更具多向性的特殊網(wǎng)籃組織使焊縫低周疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到電子束焊的1.4倍。

　　國外已將激光焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝大量應(yīng)用于飛機(jī)鈦合金壁板和桁條的連接[4]潭均，降低了結(jié)構(gòu)重量校搀，提高了生產(chǎn)效率和使用安全性（圖3）三二。

　　美國普惠公司完成渦輪葉片所需部件的自動激光焊接，如JT9D和F LO的二級渦輪轉(zhuǎn)子葉片以及V2500房幌、F100-PW-220会刀、PW2037、PW4000等發(fā)動機(jī)的渦輪葉片膜护、導(dǎo)向葉片掏绍、機(jī)匣、燃燒室等锭测。美國GE公司也已成功完成了發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片組件的激光焊接译命，有效地解決了鎳基合金零件激光焊接變形與裂紋等問題，并用6kW的CO2激光設(shè)備焊接噴氣發(fā)動機(jī)燃燒室襯套侦铜。英國R&R公司用固體激光器與機(jī)器人組合完成鈦合金和高溫合金的自動化焊接专甩，保證了焊縫和焊接過程的一致性，減少了焊接變形钉稍，接頭殘余應(yīng)力低涤躲，大大減少校形工作量。國外還在金屬間化合物等特殊材料（如Ni3Al）激光焊方面做了很多研究工作嫁盲。

　　激光復(fù)合焊接是近年來最受業(yè)界矚目的焊接技術(shù)之一篓叶，是下一步最有可能在航空制造業(yè)中得到大規(guī)模應(yīng)用的焊接技術(shù)烈掠。該技術(shù)利用可填絲的優(yōu)點羞秤，在提高焊接熔深和工藝適應(yīng)性的同時，還可以改善焊縫冶金性能和微觀組織左敌。激光具有吸引瘾蛋、約束、穩(wěn)定電弧的特點矫限，不僅能夠改善電弧的形態(tài)哺哼，也能夠改變?nèi)鄣蔚倪^渡方式，電弧的預(yù)熱作用可以大大提高材料對激光的吸收率叼风，可焊接厚板虽柜，焊接適應(yīng)性更高。它的高適應(yīng)性不僅在于對間隙威众、錯邊财偶、對中偏離的敏感性降低，還可以降低對焊前加工精度和焊接工裝的要求哼股。通過調(diào)節(jié)電弧與激光的不同作用位置课枉，可有效提高對間隙誤差的容忍度。激光復(fù)合焊接技術(shù)（如激光-MIG復(fù)合）在發(fā)動機(jī)機(jī)匣類零件和飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)焊接方面具有獨特優(yōu)勢荧肴，比MIG焊接的熱輸入小很多杆赃，零件變形和焊后殘余應(yīng)力小莲疤，比電子束焊要求的裝配精度低，在焊接過程中送絲可實現(xiàn)空間復(fù)雜形狀安裝座的角焊縫焊接宣忧。與MIG和激光焊相比砍机，激光復(fù)合焊接的熱源形式?jīng)Q定了其有更大的熔深和更好的外觀質(zhì)量。

　　激光復(fù)合焊接技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)薄壁零件制造上有極大的優(yōu)勢和應(yīng)用空間锤扣。焊接變形是影響薄壁零件質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素之一叉屠，焊接變形的存在不僅影響產(chǎn)品的制造過程，更重要的是也影響產(chǎn)品的使用性能忿檩。產(chǎn)生零件焊接變形的根本因素是焊接過程中不均勻的加熱和冷卻造成的溫度應(yīng)力和材料組織轉(zhuǎn)變（相變）引起的組織應(yīng)力尉尾，而焊后殘余應(yīng)力還會對零件最終加工精度和尺寸穩(wěn)定性、沉淀強(qiáng)化合金再熱裂紋的產(chǎn)生以及零件的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生很大的不利影響燥透，因此實現(xiàn)焊接變形控制是薄壁機(jī)匣類零件焊接的最主要技術(shù)難點[5]沙咏。采用激光復(fù)合自動化焊接工藝是保證工藝過程穩(wěn)定并控制零件變形、保證焊接工藝一致性和穩(wěn)定性的最直接方法班套。

　　高推重比發(fā)動機(jī)機(jī)匣筒體已普遍采用了化銑結(jié)構(gòu)肢藐，焊接接頭厚度進(jìn)一步增加，甚至達(dá)到12mm左右吱韭，激光-MIG復(fù)合焊工藝以其熱源集中的特點可以實現(xiàn)更大的深寬比吆豹，同樣可以體現(xiàn)出其工藝優(yōu)勢。

　　激光復(fù)合焊接技術(shù)的研究重點是：焊接變形預(yù)測及控制技術(shù)理盆、焊接過程工藝控制技術(shù)痘煤、空間型面焊縫自動跟蹤技術(shù)、焊接質(zhì)量在線檢測技術(shù)等猿规。

　　焊接表面完整性及焊縫性能恢復(fù)（增強(qiáng)）技術(shù)

　　零件焊接后表面幾何特征衷快、內(nèi)部組織和應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生明顯變化，焊接區(qū)性能會極大地影響零件的使用性能么缴，如焊縫焊趾處的應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)平均值的1.5倍[6]贬市，另外焊縫和熱影響區(qū)組織性能差異的影響，尤其是焊后溫度應(yīng)力犁式、組織應(yīng)力以及拘束應(yīng)力的疊加作用降低了零件的疲勞極限和使用壽命劈警。

　　在航空發(fā)動機(jī)制造和修理過程中的焊接或補(bǔ)焊會導(dǎo)致材料的性能損失，一些零件焊接或補(bǔ)焊后無法通過熱處理消除應(yīng)力和恢復(fù)性能蚌汁，對產(chǎn)品性能和質(zhì)量影響極大遵盼，如何恢復(fù)或增強(qiáng)焊縫性能一直是難以解決的工藝問題，這在復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件如整體葉盤的修理上表現(xiàn)得非常突出深刁。超聲沖擊和振動時效技術(shù)屬于非熱處理消除焊接殘余應(yīng)力的方法估董，它通過微觀塑性變形和應(yīng)力均勻化作用能夠消除或降低焊接殘余應(yīng)力水平，避免熱處理帶來的焊接變形問題贪类，并可大幅度提高焊接接頭疲勞壽命胃愉。

　　超聲沖擊和振動時效技術(shù)主要應(yīng)用于石油管道射粹、建筑橋梁以及大型結(jié)構(gòu)件等民用行業(yè)。近年來现粗，隨著航空發(fā)動機(jī)行業(yè)對焊接修復(fù)構(gòu)件非熱處理方法消除殘余應(yīng)力的迫切需求雅镊，中航工業(yè)黎明公司開展了超聲沖擊和振動時效工藝基礎(chǔ)試驗研究工作，并針對薄壁無余量機(jī)匣進(jìn)行了處理后的應(yīng)力測試刃滓，試驗數(shù)據(jù)表明仁烹，采用高頻超聲沖擊設(shè)備對補(bǔ)焊多次的鈦合金焊縫進(jìn)行去應(yīng)力處理，殘余應(yīng)力消除率達(dá)到70％以上咧虎，提高疲勞循環(huán)次數(shù)2~3倍卓缰，完全能夠滿足焊接修復(fù)后的去應(yīng)力處理要求。將高頻超聲去應(yīng)力設(shè)備與相應(yīng)的機(jī)械加工設(shè)備配合使用砰诵，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化去應(yīng)力處理并降低表面粗糙度征唬，對提高航空發(fā)動機(jī)焊接機(jī)匣零件表面完整性和疲勞壽命具有明顯效果。

　　除超聲沖擊和振動時效技術(shù)外茁彭，近年來國內(nèi)外對激光表面沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究給予了更多的關(guān)注总寒。作為一種新型高能量密度的高效強(qiáng)化技術(shù)，國外在整體葉盤及葉片強(qiáng)化領(lǐng)域已得到應(yīng)用理肺，對提高零件抗疲勞性能摄闸、抗外物損傷能力（FOD）和表面完整性效果極其明顯。2002年以來妹萨，美國已將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)大規(guī)模用于航空部件的制造和修理中蟹故，以改善零件疲勞壽命，不但可以提高飛機(jī)發(fā)動機(jī)的安全可靠性宁斋，而且還可節(jié)約昂貴的飛機(jī)保養(yǎng)費和零件更換費用感栋。國外的激光沖擊強(qiáng)化試驗表明：激光沖擊強(qiáng)化能將整體葉盤缺口疲勞強(qiáng)度提高1倍以上史代；國內(nèi)對鋁合金激光表面沖擊強(qiáng)化研究的結(jié)果顯示慧男，激光強(qiáng)化后材料表面粗糙度降低，表面位錯密度增加乐玛，導(dǎo)致表面硬度值提高了36％比摆，強(qiáng)化搭接區(qū)硬度提高了46％，其抗塑性變形能力纪立、耐磨性和抗疲勞性均得到了相應(yīng)的提高[7]休台。

　　由于激光表面強(qiáng)化技術(shù)的獨特優(yōu)點，使其在焊接及修理工藝上有廣泛的應(yīng)用空間胰肆。我們知道征啦，零件總壽命為裂紋起始壽命與裂紋擴(kuò)展壽命的總和，引起疲勞失效的裂紋經(jīng)常從表面萌生桦闪，焊縫或焊接修理區(qū)域通過激光沖擊強(qiáng)化作用可消除焊縫表面拉應(yīng)力侠坎，對材料表面至一定深度施加壓應(yīng)力蚁趁，產(chǎn)生一定的屈服和塑性變形，可提高材料表面完整性实胸，防止或延緩表面裂紋等缺陷在使用過程中向材料內(nèi)部擴(kuò)展他嫡，使初始裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段后移，提高疲勞擴(kuò)展門檻應(yīng)力強(qiáng)度因子庐完，增加了零件使用總壽命和安全性钢属。試驗表明，激光沖擊強(qiáng)化后的疲勞壽命延長了一個數(shù)量級门躯，抗疲勞強(qiáng)度提高了30%~50%[8]淆党。

　　焊縫或表面修理區(qū)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究的重點是：激光沖擊強(qiáng)化工藝對零件應(yīng)力狀態(tài)及性能影響基礎(chǔ)研究；沖擊強(qiáng)化后評價方法研究讶凉；激光強(qiáng)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建立等宁否。

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