《航空制造人》聚焦航空航天用结构件的制造,包括原材料的铸、锻、焊、热处理、化学、喷涂、特种加工、无损检测以及性能测试等特殊过程。
作为公益交流平台,旨在为业内人士提供专业的制造技术信息,供参考学习。
前言
本公众号多次介绍了电子束焊接在航空航天制造中的应用。本文将通过一个实例来向大家阐述发动机中某典型组件 – 燃烧室机匣 - 的电子束焊接制造过程。本文不包含具体的电子束焊接工艺。
为什么要电子束焊接?
航空发动机、火箭发动机都需要动力装置,本组件是燃烧室机匣。不熟悉的人可能会很惊讶,燃烧室服役时承受高温高压,还会有焊缝?焊缝寿命经得住考验?因为我们都知道一个常识:焊缝是“带有缺陷的”。
是的,是带焊缝的,并且经得住恶劣工况的。这是由于燃烧室的复杂性,单件加工非常复杂。早期技术不成熟的时候,是采用的铸造工艺,一体成型出来,但是铸件质量难以做到100%一次合格,仍然需要大量补焊,因此寿命非常短。如今某些小发动机仍在采用铸件机匣。但随着推力的增加,燃烧室的结构越来越复杂,现在市面上的商用航空发动机往往将燃烧室机匣分为两个或三个单件,分别进行加工,最后通过电子束焊接进行组合。此时,完全可以选用锻件进行加工,性能要比铸件好太多。不同子件的组合,还有一个绝对的优势,就是可以根据工况,选择不同的材料进行加工,最后焊接在一起。
有人要问,为何要选择电子束焊接,而不是其它焊接工艺呢?这就涉及到不同焊接方法,它们焊接出来的焊缝形貌是不一样的。比如,氩弧焊焊缝,包括熔化区、热影响区都较宽。但是电子束焊接由于其能量集中,焊接速度快的原因,具有焊缝较窄,并且热影响区较小的优势,胜出。
焊缝“带有缺陷”,怎么办?平台老师常说的一句话就是“强度不够,材料来凑”。所以,燃烧室的焊缝往往比基体要厚,按照焊缝安全系数、应力分布的计算和设计,厚度一般需要增加50%左右。
制造过程
子件加工:各子件按照要求进行机械加工、特种加工,然后精车焊缝区域,确保满足焊缝设计要求,并去除毛刺。
配料:收集子件,对照来料清单,确保所有零件、试片以及流水卡、工艺文件等齐全。
焊前清洗:因为子件都是经过机加而来,往往带有机加冷却液、油污等,这些都不利于焊接。所以要确保“三无“– 无水无油无污染,这也是本公众号一直以来所强调的。”焊接适合有洁癖的人“,一点不假!
试片焊接:这一点比较复杂。因为国内外的体系不一样,预生产试片的要求也相差比较大。预生产试片焊接完成后,按照相关要求进行金相检查,确保核心尺寸满足设计要求。
零件组装:选用配套的工装,按照先后顺序进行组装,压块、螺栓、螺母等到位后用扭力扳手紧固到位。
电子束焊接:按照电子束焊接WPS、操作指导书、工艺规程等文件调用焊接相关程序进行焊接。焊接过程的定位、工艺参数等不在本文讨论范围。
焊后目视检查:通过裸眼,或使用放大镜、卡尺等工具进行焊缝的目视检查,确保没有超标缺陷。
补焊:焊缝目视检查过程中,如果发现超标缺陷,需要进行补焊处理。本公众号专门讲过,不是所有规范都允许补焊的,这是要注意的!必须严格按照客户要求执行。如果允许补焊,也要弄清楚是允许原始方法,即电子束焊接进行补焊,还是允许其它方法,如氩弧焊进行补焊。每个制造主体的要求差异都非常大。
注:补焊实际上对锻件焊缝的寿命是有影响的。补焊区域的大小、位置都要求严格记录。
焊后热处理:按照图纸要求,进行热处理。包括去用力、固溶等热处理工艺。
无损检测:包括荧光渗透检查、X射线检查。确保焊缝表面、内部没有超标的缺陷显示。
最终热处理:主要是时效强化,以满足服役条件。
性能检测:在零件上进行的是硬度测试。
后续加工:主要是精车、精铣、钻孔等机加工工序,以及钳工去毛刺、标准件装配等。
尺寸检查:三坐标检验检查。
其它:打标、清洗、包装等,并做文件的最终确认。
制造难点
电子束焊工艺本身是一个难点。由于燃烧室机匣结构的复杂性,该焊缝并不是直角对接焊缝(square butt joint),如下图。
实际焊缝是带有一定倾斜角度的。这就意味着焊接时,为了避免空间干涉问题,零件需要倾斜特定的角度,而不是常见的90°。
倾斜焊缝的实际厚度不等于零件厚度,这是电子束焊的第二个难点。电子束在零件焊缝上经过的长度才是实际厚度,显然要比零件厚度大很多。带来的问题就是需要更大的焊接能量才能穿透焊缝,完成焊接。
第三点就是因为倾斜,焊缝表面(电子束入射面)的成型会是一个问题。如果垂直入射,会获得对称性非常好的焊缝表面,但是倾斜焊缝却不行;如何避免液态金属流淌下来,如何确保焊缝有足够的余高,这是倾斜焊缝必须解决的的问题。
亲爱的读者,你们理解了吗?
欢迎画出倾斜焊缝示意图,与我们交流。