CN109514145A - 航空发动机叶片堆焊修复冷却系统及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机叶片堆焊修复冷却系统及冷却方法。系统主要由柔性流道焊接夹持冷却系统、随动式空气射流冷却系统以及自动冷却控制系统组成。柔性流道焊接夹持冷却系统的冷却液流道分别布置在独立的紫铜键中，可随紫铜键的移动实现散热的柔性调节，从而始终保持对被夹曲面合金的近距离冷却；随动式空气射流冷却系统安装在焊枪上，可随焊枪的移动等速移动，并且通过自动调节垂直射喷管与焊枪的距离以及侧吹冷却喷管的角度实现对流冷却；针对不同叶片的传热特性自动规划冷却工艺，通过自动冷却控制系统实现对压力、流速、喷管距离及角度的控制实现闭合回路的实时动态控制，从而实现焊接过程中的冷却调节，达到较好的焊接修复效果。

Description

航空发动机叶片堆焊修复冷却系统及冷却方法

技术领域

本发明属于航空维修技术领域，特别是涉及一种航空发动机叶片堆焊修复冷却系统及冷却方法。

背景技术

航空发动机压气机叶片长期在高温和高压联合作用的复杂环境下工作，叶片经常发生各种不同程度的损伤。对具有修复价值的受损叶片进行修复具有广泛的市场需求，也为业界所认可。微束脉冲等离子弧焊(MPAW)在小电流下很好的电弧稳定性使其非常适合焊接超薄合金，是目前叶片焊接修复的主流手段。由于焊接时熔池温度较高，钛合金叶片很容易吸入N、H、O等杂质，影响焊接质量。采用惰性气体保护并不能达到完全隔离的效果，采用真空焊接环境成本较高，且某些自动焊枪的结构和运行方式不易实施。对于超薄钛合金的堆焊修复，为了达到更好的焊接质量，增加夹具冷却速度，可以有效降低焊接区在250℃以上停留的时间，减少杂质的吸入。此外，加快冷却速度还可以促进α-Ti的形成，有效提升焊接质量。而对于镍基合金，调节控制冷却速率可以控制合金中Nb的析出比例，影响焊接后的韧性和强度。因此，对于不同合金叶片，要求在焊接过程中能够调节和控制冷却速率。

此外，由于钛合金及镍基合金的导热系数都很低，熔池通过母材的传导向外界的换热效果较差，需要设计焊接流道使流体换热区距离熔池越近越好。其次，由于叶片都是具有弧度的自由曲面，在夹持时需要采用一种柔性夹持结构对叶片进行夹持，使夹持面与叶片具有良好的接触贴合度，有利于熔池的换热。因此需要一种具有柔性夹持且可以进行柔性散热调节的散热系统。

发明内容

为了解决上述问题本发明公开了一种航空发动机叶片堆焊修复冷却系统及冷却方法。系统主要由柔性流道焊接夹持冷却系统、随动式空气射流冷却系统以及自动冷却控制系统组成。柔性流道焊接夹持冷却系统的冷却液流道分别布置在独立的紫铜键中，可随紫铜键的移动实现散热的柔性调节，从而始终保持对被夹曲面合金的近距离冷却；随动式空气射流冷却系统安装在焊枪上，可随焊枪的移动等速移动，并且通过自动调节垂直射流喷管与焊枪的距离以及侧吹冷却喷管的角度实现对流冷却；针对不同叶片的传热特性自动规划冷却工艺，通过自动冷却控制系统实现对压力、流速、喷管距离及角度的控制实现闭合回路的实时动态控制，从而实现焊接过程中的冷却调节，达到良好的焊接修复效果。

一种航空发动机叶片堆焊修复冷却系统，主要用于航空发动机压气机叶片以及超薄合金堆焊修复过程的冷却调节，主要包括：柔性流道夹持冷却系统、随动式空气射流冷却系统以及自动冷却控制系统，所述的柔性流道夹持冷却系统包括夹具台(1)，夹具台上安装有夹持装置固定梁(2)和滑动导轨(29)，滑动导轨端部设有锁紧手柄(3)，焊接夹持机构安装在滑动导轨(29)上，焊接夹持机构包括对称设置的两个夹持件安装座，夹持件安装座可沿滑动导轨移动，夹持件安装座上分别固定安装有对称设置的由多个独立的散热紫铜键(32、33、34)组成的柔性夹持结构(36虚线内)，散热紫铜键内部设有冷却流道(39)，散热紫铜键与夹持件安装座之间设置有压紧弹簧，散热紫铜键间的冷却流道采用串联形式连接；所述的随动式空气射流冷却系统主要由安装在焊枪架(51)上的垂直射流冷却喷管(48)、侧吹冷却喷管(46)、侧吹气管(47)、气保护罩(42)、气保护喷嘴(43)、进气管(49、50)组成；自动冷却控制系统包括冷却液导管(4、18、5、17)、冷却液循环泵站(6、6-1)、冷却液热交换池(10)、温度传感器(26)、控制管线(7、7-1、11、13)和智能控制器(12)，温度传感器实时检测焊件温度，发送给智能控制器，智能控制器控制冷却液温度、流速及压力，通过对称的冷却液输入管路(18、4)和输出管路(17、5)给散热紫铜键输送循环的变温的冷却液，调整紫铜键的散热速率。

柔性流道夹持冷却系统的带有冷却流道的紫铜键(32、33、34、35)成对称分布，其柔性流道夹持冷却系统对称设置两个冷却循环回路。

柔性流道夹持冷却系统各散热紫铜键之间的冷却液管路接口(37、38)采用柔性弯管(22)串联连接，配合压紧弹簧(20、21、20-1、21-1)实现柔性贴合目标修复薄板(25)，达到散热均匀和柔性可调节的目标。

散热紫铜键具有可伸缩的冷却液流入导管(23、28)和可伸缩冷却液流出导管(19、31)，可伸缩流入导管(23、28)和可伸缩流出导管(19、31)采用紫铜管，与流入管路(18、4)和流出管路(17、5)之间安装有滑动密封，流入管路(18)和流出管路(17、5)均可以随散热紫铜键移动而伸缩，并保持密封属性。

冷却液单侧回路由紫铜键内部冷却流道(39)，冷却液流入流出伸缩导管(19、23)、冷却液流入管路(17)、流出管路(18)、冷却液循环泵站(6-1)以及冷却液热交换池(10)组成，实现冷却系统的单侧循环回路；对称的，另一侧紫铜键内部的冷却流道通过冷却液流入流出伸缩导管(31、28)和冷却液流入管路、流出管路(4、5)、冷却液循环泵站(6)以及冷却液热交换池(10)连接，实现冷却系统的另一侧循环回路。

外部通过热交换池的冷却液输入管路(14)输入特定温度的冷却液到热交换池(10)，并通过冷却液输出管路(15)将发挥过冷却作用的冷却液从热交换池(10)中输出，形成外部冷却液循环回路。

系统可根据不同的叶片的传热参数，自动调节压缩气体垂直射流喷管与焊枪的水平距离、喷射压力、并且可自动调节侧吹喷管的角度和喷射压力。

垂直射流喷管(48)和侧吹喷管(47)安装在焊枪架(51)上，焊接时可随焊枪架的移动而与焊枪(45)等速移动，侧吹喷管可在活动密封关节(44)上进行多自由度旋转。通过智能控制器可自动调节垂直射流喷管与焊枪的水平距离以及侧吹喷管的喷射角度。

航空发动机叶片堆焊修复冷却系统的冷却方法，包括以下步骤：

(1)焊接进行前，将叶片型号输入智能控制器；

(2)智能控制器根据叶片型号规划适合的冷却工艺，包括是否采用水冷和气冷、采用水冷时流道的冷却参数以及采用对流冷却时喷管与焊枪的距离、角度参数；

(3)焊接过程中温度传感器(25)实时检测焊件温度，发送给智能控制器；

(4)智能控制器控制冷却液温度、流速和压力，同时控制气体冷却喷管的压力、角度及距离；

(5)通过冷却液输入管路(18、4)和输出管路(17、5)给散热紫铜键输送循环的变温的冷却液，进而调整紫铜键的散热速率；通过调整垂直射流喷管(48)、侧吹喷管(47)角度，调整气体对流冷却效率；通过调整垂直射流喷管(48)与焊枪的水平距离以适应不同叶片的熔池半径。

本发明不仅适用于航空发动机叶片的焊接修复，还适用于5mm以下镍基合金及钛合金薄板的焊接过程的冷却调节。应用本发明的冷却系统及冷却方法，可针对不同合金的传热特性，采用针对性的冷却工艺，从而有效提升或调节冷却速率，对于钛合金，可减少钛合金冷却过程中吸入的杂质；对于镍基合金，可控制镍基合金在凝固过程中的Nb的析出比例，从而提升焊接修复效果。应用本发明对于提升航空发动机叶片维修质量以及超薄合金的焊接修复效果具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的系统整体平面图

图2为夹持叶片时的局部放大图

图3为随动式空气射流冷却系统结构图

图4为本发明外部流道布局局部结构图

图5为本发明控制系统框图

图6为本发明的散热紫铜键剖面示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明提供的一种航空发动机叶片堆焊修复冷却系统及冷却方法进行详细说明。

本发明公布的航空发动机叶片堆焊修复冷却系统及冷却方法，用于航空超薄合金堆焊修复过程的冷却调节，冷却系统主要包括：柔性流道夹持冷却系统、随动式空气射流冷却系统以及自动冷却控制系统，所述的柔性流道夹持冷却系统包括夹具台1，夹具台上安装有夹持装置固定梁2和滑动导轨29，滑动导轨端部设有锁紧手柄3，焊接夹持机构安装在滑动导轨29上，焊接夹持机构包括对称设置的两个夹持件安装座，夹持件安装座可沿滑动导轨移动，夹持件安装座上分别固定安装有对称设置的由多个独立的散热紫铜键32、33、34组成的柔性夹持结构(36虚线)，散热紫铜键内部设有冷却流道39，散热紫铜键与夹持件安装座之间设置有压紧弹簧，散热紫铜键间的冷却流道采用串联形式连接；所述的随动式空气射流冷却系统主要由安装在焊枪架51上的垂直射流冷却喷管48、侧吹冷却喷管47、气保护罩42、气保护喷嘴43、进气管49、50组成；自动冷却控制系统包括冷却液导管4、18、5、17、冷却液循环泵站6、6-1、冷却液热交换池10、温度传感器26、控制管线7、7-1、11、13和智能控制器12，温度传感器实时检测焊件温度，发送给智能控制器，智能控制器控制冷却液温度、流速及压力，通过对称的冷却液输入管路18、4和输出管路17、5给散热紫铜键输送循环的变温的冷却液，调整紫铜键的散热速率。

进一步地，夹紧件安装座上部设有凹槽，凹槽中设有可移动的所述散热紫铜键，散热紫铜键可在凹槽中沿与工件垂直的方向移动，凹槽上表面固定设有散热固定盖板24、27。散热紫铜键中的冷却液通过冷却液流出导管4、18分别流入冷却液循环泵站6-1、6-2，再由连接冷却液循环泵站进入冷却液热交换池10，冷却液交换池与外部冷却液供应站连接，经过热交换的冷却液流入冷却液循环泵站，再经由冷却液流入导管流流入散热紫铜键的冷却流道，实现对散热紫铜键的温度调节。

在焊接开始时，自动控制系统可根据不同的叶片的传热参数，输出规划的冷却参数指令，控制压缩气体垂直射流喷管与焊枪的水平距离和喷射压力、以及侧吹喷管的角度和喷射压力。

在焊接过程中，智能控制器12通过设置在散热紫铜键端部的温度传感器实时检测工件的温度，通过冷却系统控制线路7-1、11、7-2控制热交换池输出到散热紫铜键的冷却液温度、压力和流速，实现对散热紫铜键温度的控制，并根据熔池的温度反馈情况实时调节冷却空气的流速和压力参数，形成有针对性的焊接冷却的闭环控制。

柔性流道夹持冷却系统各散热紫铜键之间的冷却液管路接口37、38采用柔性弯管22串联连接，配合压紧弹簧20、21、20-1、21-1实现柔性贴合目标修复薄板25，达到散热均匀和柔性可调节的目标。散热紫铜键具有可伸缩的冷却液流入导管23、28和可伸缩冷却液流出导管19、31，可伸缩流入导管23、28和可伸缩流出导管19、31采用紫铜管，与流入管路18、4和流出管路17、5之间安装有滑动密封，流入管路和流出管路均可以随散热紫铜键移动而伸缩，并保持密封属性。

冷却液单侧回路由紫铜键内部冷却流道39，冷却液流入流出伸缩导管19、23、冷却液流入管路17、流出管路18、冷却液循环泵站6-1以及冷却液热交换池10组成，实现冷却系统的单侧循环回路；对称的，另一侧紫铜键内部的冷却流道通过冷却液流入流出伸缩导管31、28和冷却液流入管路、流出管路4、5、冷却液循环泵站6以及冷却液热交换池10连接，实现冷却系统的另一侧循环回路。

热交换池10通过冷却液输入管路14和输出管路15连接到外部冷却液供应站，热交换池具有通风口52。外部冷却液供给站将冷却液经输入管路14输入特定温度的冷却液到热交换池10，并通过冷却液输出管路15将发挥过冷却作用的冷却液从热交换池10中输出，形成外部冷却液循环回路。

垂直射流喷管48和侧吹喷管47安装在焊枪架51上，焊接时可随焊枪架的移动而与焊枪45等速移动，侧吹喷管可在活动密封关节44上进行多自由度旋转。通过智能控制器可自动调节垂直射流喷管与焊枪的水平距离以及侧吹喷管的喷射角度。

航空发动机叶片堆焊修复冷却系统的冷却方法包括以下步骤：

(1)焊接进行前，将叶片型号输入智能控制器；

(2)智能控制器根据叶片型号规划适合的冷却工艺，包括是否采用水冷和气冷、采用水冷时流道的冷却参数以及采用对流冷却时喷管与焊枪的距离、角度参数；

(3)焊接过程中温度传感器(25)实时检测焊件温度，发送给智能控制器；

(4)智能控制器控制冷却液温度、流速和压力，同时控制气体冷却喷管的压力、角度及距离；

(5)通过冷却液输入管路18、)和输出管路17、5给散热紫铜键输送循环的变温的冷却液，进而调整紫铜键的散热速率；通过调整垂直射流喷管48、侧吹喷管47角度，调整气体对流冷却效率；通过调整垂直射流喷管(48)与焊枪的水平距离以适应不同叶片的熔池半径。

以CFM56航空发动机压气机叶片为例进行说明，系统的修复使用步骤如下：

CFM56发动机压气机叶片共有9级，其中1-3级为Ti811钛合金叶片，4-9级为INCONEL718镍基合金叶片。对于不同的合金叶片，冷却工艺有所不同。系统的修复使用步骤如下：

(1)在进行叶片修复之前，按照图1所示安装系统，将冷却控制系统智能控制器与焊接运行控制电脑相连接，将冷却液热交换池的供给和回收管路与外部供应站相连接，检查温度、压力流量传感器工作正常。

(2)将待修复压气机叶片正确夹紧在紫铜键中间，如图2中所示，并将相应叶片型号输入自动控制系统的智能控制器中，控制器根据叶片型号调用相应冷却参数，输出冷却液流速、压力、温度以及空气冷却流速、压力、喷管距离和角度参数。

由于钛合金和镍基合金有不同的冷却需求，钛合金需要快速冷却到250℃，若待修复叶片为钛合金叶片，智能控制器将采用柔性流道冷却与随动射流冷却相结合的复合冷却方式，并根据叶片的型号对应的热源半径参数自动调整垂直射流喷管与焊枪的距离，以及侧吹喷管的角度，同时，根据叶片型号数据输出柔性流道冷却液的冷却参数指令，控制流道内的冷却液流速和温度，开始进行焊接。

对于镍基合金叶片，其冷却的重点是凝固时的Nb的析出量控制，所以冷却过程以凝固之前为主，为了防止熔池被空气吹散，所以不采用随动射流的冷却方式，只采用柔性流道焊接夹持冷却系统进行冷却。当待修复叶片为镍基合金叶片时，智能控制器仅启用柔性流道焊接冷却系统，根据叶片型号数据输出柔性流道冷却液的冷却参数指令，控制流道内的冷却液流速和温度，开始进行焊接。

(3)焊枪在进行工作时，红外CCD监测到的熔池温度数据不断反馈给控制中心电脑，控制中心电脑将测量数据与材料焊接参数比对，生成反馈调节信号发布给智能控制器，智能控制器根据控制电脑信号进行冷却液温度和速度的自动调节，对于钛合金叶片，如果熔池温度高于相变温度以上的某个设定范围，则加快流速并降低冷却液的入口温度，使流道内湍流换热增强，同时加快随动冷却系统空气的流速。对于镍基合金叶片，可根据工艺需求增加或降低流速及冷却液温度从而形成散热速率的闭环控制，进而控制Nb的析出比例。冷却液经过每个紫铜键内部，在紫铜键前端与叶片的接触面附近进行近距离换热，快速带走熔池的热量。在整个焊接过程中，传感器将测量信号不断传输给控制电脑，控制电脑根据温度参数比对再次向智能控制器发布新的调整信号，如此过程反复，直到焊接区域温度达到理想的温度范围。

(4)在焊接过程中，外部冷却液供应分别经过冷却液输入管路和输出管路向热交换池供应和回收冷却液，冷却液在热交换池、循环泵、和紫铜键冷却回路中形成循环，实现焊接的冷却散热作用。

Claims (9)

1.一种航空发动机叶片堆焊修复冷却系统，主要用于航空发动机压气机叶片及超薄合金堆焊修复过程的冷却调节，主要包括：柔性流道夹持冷却系统、随动式空气射流冷却系统以及自动冷却控制系统，所述的柔性流道夹持冷却系统包括夹具台(1)，夹具台上安装有夹持装置固定梁(2)和滑动导轨(29)，滑动导轨端部设有锁紧手柄(3)，焊接夹持机构安装在滑动导轨(29)上，焊接夹持机构包括对称设置的两个夹持件安装座，夹持件安装座可沿滑动导轨移动，夹持件安装座上分别固定安装有对称设置的由多个独立的散热紫铜键(32、33、34)组成的柔性夹持结构(36虚线)，散热紫铜键内部设有冷却流道(39)，散热紫铜键与夹持件安装座之间设置有压紧弹簧，散热紫铜键间的冷却流道采用串联连接；所述的随动式空气射流冷却系统主要由安装在焊枪架(51)上的垂直射流冷却喷管(48)、侧吹冷却喷管(46)、侧吹气管(47)、气保护罩(42)、气保护喷嘴(43)、进气管(49、50)组成；自动冷却控制系统包括冷却液导管(4、18、5、17)、冷却液循环泵站(6、6-1)、冷却液热交换池(10)、温度传感器(26)、控制管线(7、7-1、11、13)和智能控制器(12)，温度传感器实时检测焊件温度，发送给智能控制器，智能控制器控制冷却液温度、流速及压力，通过对称的冷却液输入管路(18、4)和输出管路(17、5)给散热紫铜键输送循环的变温的冷却液，调整紫铜键的散热速率。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：柔性流道夹持冷却系统的带有冷却流道的紫铜键(32、33、34、35)成对称分布，其柔性流道夹持冷却系统对称设置两个冷却循环回路。

3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：柔性流道夹持冷却系统各散热紫铜键之间的冷却液管路接口(37、38)采用柔性弯管(22)串联连接，配合压紧弹簧(20、21、20-1、21-1)实现柔性贴合目标修复薄板(25)，达到散热均匀和柔性可调节的目标。

4.根据权利要求3所述的冷却系统，其特征在于：散热紫铜键具有可伸缩的冷却液流入导管(23、28)和可伸缩冷却液流出导管(19、31)，可伸缩流入导管(23、28)和可伸缩流出导管(19、31)采用紫铜管，与流入管路(18、4)和流出管路(17、5)之间安装有滑动密封，流入管路(18)和流出管路(17、5)均可以随散热紫铜键移动而伸缩，并保持密封属性。

5.根据权利要求3所述的冷却系统，其特征在于：冷却液单侧回路由紫铜键内部冷却流道(39)，冷却液流入流出伸缩导管(19、23)、冷却液流入管路(17)、流出管路(18)、冷却液循环泵站(6-1)以及冷却液热交换池(10)组成，实现冷却系统的单侧循环回路；对称的，另一侧紫铜键内部的冷却流道通过冷却液流入流出伸缩导管(31、28)和冷却液流入管路、流出管路(4、5)、冷却液循环泵站(6)以及冷却液热交换池(10)连接，实现冷却系统的另一侧循环回路。

6.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：外部通过热交换池的冷却液输入管路(14)输入特定温度的冷却液到热交换池(10)，并通过冷却液输出管路(15)将发挥过冷却作用的冷却液从热交换池(10)中输出，形成外部冷却液循环回路。

7.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：系统可根据不同的叶片的传热参数，自动调节压缩气体垂直射流喷管与焊枪的水平距离、喷射压力、并且可自动调节侧吹喷管的角度和喷射压力。

8.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：垂直射流喷管(48)和侧吹喷管(47)安装在焊枪架(51)上，焊接时可随焊枪架的移动而与焊枪(45)等速移动，侧吹喷管可在活动密封关节(44)上进行多自由度旋转。通过智能控制器可自动调节垂直射流喷管与焊枪的水平距离以及侧吹喷管的喷射角度。

9.根据权利要求1所述的航空发动机叶片堆焊修复冷却系统的冷却方法，包括以下步骤：

(1)焊接进行前，将叶片型号输入智能控制器；

(2)智能控制器根据叶片型号规划适合的冷却工艺，包括是否采用水冷和气冷、采用水冷时流道的冷却参数以及采用对流冷却时喷管与焊枪的距离、角度参数；

(3)焊接过程中温度传感器(25)实时检测焊件温度，发送给智能控制器；

(4)智能控制器控制冷却液温度、流速和压力，同时控制气体冷却喷管的压力、角度及距离；

(5)通过冷却液输入管路(18、4)和输出管路(17、5)给散热紫铜键输送循环的变温的冷却液，进而调整紫铜键的散热速率；通过调整垂直射流喷管(48)、侧吹喷管(47)角度，调整气体对流冷却效率；通过调整垂直射流喷管(48)与焊枪的水平距离以适应不同叶片的熔池半径。