CN110977131A - 一种转子类零件的电子束焊接变形精密控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种转子类零件的电子束焊接变形精密控制方法，属于转子类零件电子束焊接技术领域，包括以下步骤：步骤1：电子束焊接结构设计；步骤2：电子束焊接参数的确定；步骤3：电子束焊接工装设计；步骤4：零件焊前材料状态调整；步骤5：零件焊接收缩量的确定；步骤6：转子类零件的电子束焊接。本技术针对转子类零件的结构特点，从提高零件刚性、刚性固定、减少残余应力、提高残余应力分布的均匀性等方面着手，采取相应的工艺措施，实现电子束焊接焊接变形精密控制，相对现有工艺，采用本技术的零件连接质量高、成本低、工艺适应性广、变形控制效果好。
Description
技术领域
本发明属于转子类零件电子束焊接技术领域，具体涉及一种转子类零件的电子束焊接变形精密控制方法。
背景技术
随着经济的发展，对航空发动机和燃机需求越来越多，而转子类零件制造成本极高，是航空发动机、燃机等动力透平机械的核心部件，实现这类零件的高质量精密焊接是其关键制造技术。
目前航空发动机转子类零件的连接工艺有螺栓连接、惯性摩擦焊连接和真空电子束焊连接。其中螺栓连接工艺强度相对较低，会导致发动机增重；惯性摩擦焊工艺设备成本高，工装复杂，对零件的适应性差；而常规的电子束焊接工艺难以满足新型航空发动机转子类零件对尺寸精度控制要求，导致零件设计制造符合性差。
转子类零件加工精度高，采用电子束焊连接各级转子是一种理想的工艺，受零件结构和加工手段限制，辐板、叶片等关键部位无法采用预留余量的方法保证尺寸，而焊接存在的固有变形，往往会导致零件出现尺寸超差的现象。
发明内容
作为航空发动机核心部件的转子类零件，对尺寸精度的要求极高，特别是辐板和叶片缘板等位置，已无加工余量或加工余量极小，本技术通过调整零件焊前热处理状态、设计合理的焊接变形控制工装、优化焊接结构和电子束焊工艺、预留焊接收缩量等方法，可以实现零件焊接后辐板的端跳、径跳和辐板轴向位移，叶片缘板端跳和轴向位移等尺寸的精密控制。
一种转子类零件的电子束焊接变形精密控制方法，针对转子类零件的结构和电子束焊接工艺特点，分析焊接变形产生的原因，从以下几个方面采取措施，控制焊接变形：1)在保证焊缝性能的前提下，将转子类零件焊前状态由固溶态调整为时效态，强化材料，提高转子类零件的刚性，降低焊接变形量；2)针对转子类零件辐板的薄壁悬臂结构，焊后轴向位移大的特点，设计带定位、刚性限位和辐板压紧等功能的工装，降低辐板轴向位移；3)设计带锁底结构的焊接止口，保证各级转子的装配定位精度，并通过止口限制焊缝位置的径向收缩，控制焊接变形；4)通过大量焊接工艺优化试验，确定了高加速电压和高焊接速度的焊接参数，能够实现宽度较窄、上下等宽的焊缝焊接，保证焊接收缩均匀、残余应力低和焊缝质量稳定，并根据试验验证的焊接收缩量，确定零件预留收缩量；5)结合转子类零件结构特点，制定了八点均匀自动定位焊，短收弧、搭接和起弧的焊接轨迹，对称电子束焊接的工艺方案，最大程度降低热输入，均匀应力，从而实现最小的零件焊接变形；包括以下步骤：
步骤1：电子束焊接结构设计
转子类零件焊缝为封闭环形焊缝，焊接收缩变形有轴向和径向的收缩，设计锁底结构，可以对焊接的径向收缩起到支撑作用，减少变形，并消除焊缝背面的飞溅；
步骤2：电子束焊接参数的确定
导致转子类零件焊接变形的应力，一方面来自于金属熔合、凝固产生的收缩应力，焊缝宽度越宽，收缩应力越大，另一方面来自于焊缝上下熔化金属量的差异导致的角向应力，焊缝上下宽度差异越大，应力越大；为降低焊接应力，需要实现宽度窄，上下等宽的焊缝焊接；
根据零件的焊接厚度，结合电子束焊接工艺特性，采用高加速电压、较近的枪距、表面焦点偏下的聚焦电流、高焊接速度、较小的电子束扫描幅值进行电子束焊工艺试验，经过焊缝的金相尺寸分析对比，表面成形和内部质量检查，确定了电子束焊接工艺参数；
步骤3：电子束焊接工装设计
针对转子类零件结构，对易产生变形的上下辐板进行刚性限位和压紧，控制辐板的轴向位移，并对转子类零件的各基准位置进行定位、支撑和压紧，设计电子束焊接工装；
步骤4：零件焊前材料状态调整
为提高零件的刚性，将零件焊前材料状态调整时效态，并采用步骤2确定的电子束焊接参数进行时效态材料的电子束焊接试验，并进行性能检测，确定时效态材料电子束焊接后的强度达到母材的90％以上；
步骤5：零件焊接收缩量的确定
采用步骤2确定的电子束焊接参数，进行电子束焊接工艺试验，确定焊接收缩量，在零件加工时预留出相应的收缩余量，保证零件焊接后收缩达到预期效果；
步骤6：转子类零件的电子束焊接
步骤6.1、零件的清洗、装配
采用丙酮对转子类零件的各级转子进行清洗，特别是焊缝部位，保证焊缝清洁；按设计图将各级转子装配好，检测保证各级转子辐板的径跳和端跳≤0.03mm；装配完成后，将转子类零件装夹到电子束焊接工装上并压紧，保证焊缝间隙≤0.03mm；
步骤6.2、零件的定位焊接
将装夹好转子类零件的电子束焊接工装安装到真空电子束焊机的转盘上，将转子类零件送入真空室抽真空，并将转子类零件翻转至垂直状态，待真空室压强≤6×10-2Pa后，启动自动定位焊接程序，分别对两条环焊缝进行小电流、八点对称定位焊；
步骤6.3、电子束焊接
调整转子类零件位置，使电子束斑点对准内侧环焊缝，在焊接程序中设定起弧、搭接、收弧度数，并输入优化后的焊接参数，运行程序进行焊接；焊接完成后，将转子类零件周向旋转180°，调整转子类零件位置，使电子束斑点对准外侧环焊缝，采用相同焊接参数和工艺完成外侧焊缝的焊接；
步骤6.4、转子类零件的焊缝质量检测和尺寸测量
焊接完成后，对焊缝进行外观、X光和荧光检查，焊缝质量达到Ⅰ级焊缝的标准要求；检测转子类零件的焊接变形，辐板的径跳和端跳≤0.03mm，辐板轴向位移≤0.3mm，焊接收缩量控制在0.15～0.18mm内，叶片缘板轴向位移≤0.2mm，满足零件设计和使用要求。
步骤3所述的电子束焊接工装包括中心轴、上限位、压盖、定位环、下限位、底座及吊环，所述底座中心孔处安装有下限位，且下限位与底座通过螺栓紧固，底座上表面安装有定位环，且定位环通过螺栓与底座固定，定位环位于下限位的外侧，所述下限位顶部的盲孔与中心轴一端安装，中心轴另一端依次贯穿上限位、压盖及螺帽，且中心轴的定位端面与上限位的内端面配合，上限位位于压盖的内侧，中心轴突出压盖部分螺接有螺帽，所述定位环与压盖之间安装有转子类零件，且转子类零件一端通过下限位定位，另一端通过上限位定位。
本发明的有益效果为：
1、本技术针对转子类零件的结构特点，从提高零件刚性、刚性固定、减少残余应力、提高残余应力分布的均匀性等方面着手，采取相应的工艺措施，实现电子束焊接焊接变形精密控制，相对现有工艺，采用本技术的零件连接质量高、成本低、工艺适应性广、变形控制效果好。
2、本技术通过调整零件焊前热处理状态，设计合理的焊接变形控制工装、优化焊接结构和电子束焊工艺、预留焊接收缩量的方法，实现转子类零件的电子束焊接变形精密控制，满足零件的设计和使用要求。
3、实现某新机整体叶盘精密电子束焊接，一次焊接合格率达100％，焊接变形降低50％以上，满足零件的设计和使用要求，提高零件的设计制造符合性，提升使用寿命，单台零件可创造价值10万元。
附图说明
图1为本发明转子类零件焊接示意图；
图2为本发明转子类零件锁底焊接结构示意图；
图3为本发明转子类零件焊缝形貌示意图；
图4为本发明转子类零件尺寸位置示意图；
图5为本发明焊接工装结构示意图；
1-中心轴，2-上限位，3-压盖，4-定位环，5-下限位，6-吊环，7-螺帽，8-底座，9-转子类零件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种转子类零件的电子束焊接变形精密控制方法，针对转子类零件的结构和电子束焊接工艺特点，分析焊接变形产生的原因，从以下几个方面采取措施，控制焊接变形：1)在保证焊缝性能的前提下，将转子类零件焊前状态由固溶态调整为时效态，强化材料，提高转子类零件的刚性，降低焊接变形量；2)针对转子类零件辐板的薄壁悬臂结构，焊后轴向位移大的特点，设计带定位、刚性限位和辐板压紧等功能的工装，降低辐板轴向位移；3)设计带锁底结构的焊接止口，保证各级转子的装配定位精度，并通过止口限制焊缝位置的径向收缩，控制焊接变形；4)通过大量焊接工艺优化试验，确定了高加速电压和高焊接速度的焊接参数，能够实现宽度较窄、上下等宽的焊缝焊接，保证焊接收缩均匀、残余应力低和焊缝质量稳定，并根据试验验证的焊接收缩量，确定零件预留收缩量；5)结合转子类零件结构特点，制定了八点均匀自动定位焊，短收弧、搭接和起弧的焊接轨迹，对称电子束焊接的工艺方案，最大程度降低热输入，均匀应力，从而实现最小的零件焊接变形；包括以下步骤：
步骤1：电子束焊接结构设计
转子类零件焊缝为封闭环形焊缝，焊接收缩变形有轴向和径向的收缩，设计4mm宽和3mm厚的锁底结构，如图1和图2所示，可以对焊接的径向收缩起到支撑作用，减少变形，并消除焊缝背面的飞溅；
步骤2：电子束焊接参数的确定
导致转子类零件焊接变形的应力，一方面来自于金属熔合、凝固产生的收缩应力，焊缝宽度越宽，收缩应力越大，另一方面来自于焊缝上下熔化金属量的差异导致的角向应力，焊缝上下宽度差异越大，应力越大；为降低焊接应力，需要实现宽度窄，上下等宽的焊缝焊接，如图3所示；
根据零件的焊接厚度，结合电子束焊接工艺特性，采用高加速电压、较近的枪距、表面焦点偏下的聚焦电流、高焊接速度、较小的电子束扫描幅值进行电子束焊工艺试验，经过焊缝的金相尺寸分析对比，表面成形和内部质量检查，确定了电子束焊接工艺参数；
步骤3：电子束焊接工装设计
针对转子类零件结构，对易产生变形的上下辐板进行刚性限位和压紧，控制辐板的轴向位移，并对转子类零件的各基准位置进行定位、支撑和压紧，设计电子束焊接工装；所述的电子束焊接工装包括中心轴、上限位、压盖、定位环、下限位、底座及吊环，所述底座中心孔处安装有下限位，且下限位与底座通过螺栓紧固，底座上表面安装有定位环，且定位环通过螺栓与底座固定，定位环位于下限位的外侧，所述下限位顶部的盲孔与中心轴一端安装，中心轴另一端依次贯穿上限位、压盖及螺帽，且中心轴的定位端面与上限位的内端面配合，上限位位于压盖的内侧，中心轴突出压盖部分螺接有螺帽，所述定位环与压盖之间安装有转子类零件，且转子类零件一端通过下限位定位，另一端通过上限位定位，如图5所示；
步骤4：零件焊前材料状态调整
为提高零件的刚性，将零件焊前材料状态调整时效态，并采用步骤2确定的电子束焊接参数进行时效态材料的电子束焊接试验，并进行性能检测，确定时效态材料电子束焊接后的强度达到母材的92％；
步骤5：零件焊接收缩量的确定
采用步骤2确定的电子束焊接参数，进行电子束焊接工艺试验，确定焊接收缩量，在零件加工时，每条焊缝需预留出0.1mm的收缩余量，保证零件焊接后收缩达到预期效果；
步骤6：转子类零件的电子束焊接
步骤6.1、零件的清洗、装配
采用丙酮对转子类零件的各级转子进行清洗，特别是焊缝部位，保证焊缝清洁；按设计图将各级转子装配好，检测保证各级转子辐板的径跳和端跳为0.03mm；装配完成后，将转子类零件装夹到电子束焊接工装的底座上，且下端通过下限位定位，上端通过上限位定位，并通过压盖压紧，压紧后在中心轴伸出压盖部分拧紧螺帽，固定转子类零件，保证焊缝间隙为0.03mm；
步骤6.2、零件的定位焊接
将装夹好转子类零件的电子束焊接工装安装到真空电子束焊机的转盘上，将转子类零件送入真空室抽真空，并将转子类零件翻转至垂直状态，待真空室压强为6×10-2Pa后，启动优化后自动定位焊接程序，分别对两条环焊缝进行小电流、八点对称定位焊，见附表1定位焊部分；
步骤6.3、电子束焊接
调整转子类零件位置，使电子束斑点对准内侧环焊缝，在焊接程序中设定起弧10°，搭接3°，收弧15°，并输入优化后的焊接参数，运行程序进行焊接，见附表1正式焊部分；焊接完成后，将转子类零件周向旋转180°，调整转子类零件位置，使电子束斑点对准外侧环焊缝，采用相同焊接参数和工艺完成外侧焊缝的焊接；
附表1电子束焊接参数表
步骤6.4、转子类零件的焊缝质量检测和尺寸测量
焊接完成后，对焊缝进行外观、X光和荧光检查，焊缝质量达到Ⅰ级焊缝的标准要求；检测转子类零件的焊接变形，如图4所示，辐板的径跳和端跳为0.03mm，辐板轴向位移为0.3mm，焊接收缩量控制在0.16mm内，叶片缘板轴向位移为0.2mm，满足零件设计和使用要求。
Claims (2)
1.一种转子类零件的电子束焊接变形精密控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：电子束焊接结构设计
转子类零件焊缝为封闭环形焊缝，焊接收缩变形有轴向和径向的收缩，设计锁底结构，可以对焊接的径向收缩起到支撑作用，减少变形，并消除焊缝背面的飞溅；
步骤2：电子束焊接参数的确定
导致转子类零件焊接变形的应力，一方面来自于金属熔合、凝固产生的收缩应力，焊缝宽度越宽，收缩应力越大，另一方面来自于焊缝上下熔化金属量的差异导致的角向应力，焊缝上下宽度差异越大，应力越大；为降低焊接应力，需要实现宽度窄，上下等宽的焊缝焊接；
根据零件的焊接厚度，结合电子束焊接工艺特性，采用高加速电压、较近的枪距、表面焦点偏下的聚焦电流、高焊接速度、较小的电子束扫描幅值进行电子束焊工艺试验，经过焊缝的金相尺寸分析对比，表面成形和内部质量检查，确定了电子束焊接工艺参数；
步骤3：电子束焊接工装设计
针对转子类零件结构，对易产生变形的上下辐板进行刚性限位和压紧，控制辐板的轴向位移，并对转子类零件的各基准位置进行定位、支撑和压紧，设计电子束焊接工装；
步骤4：零件焊前材料状态调整
为提高零件的刚性，将零件焊前材料状态调整时效态，并采用步骤2确定的电子束焊接参数进行时效态材料的电子束焊接试验，并进行性能检测，确定时效态材料电子束焊接后的强度达到母材的90％以上；
步骤5：零件焊接收缩量的确定
采用步骤2确定的电子束焊接参数，进行电子束焊接工艺试验，确定焊接收缩量，在零件加工时预留出相应的收缩余量，保证零件焊接后收缩达到预期效果；
步骤6：转子类零件的电子束焊接
步骤6.1、零件的清洗、装配
采用丙酮对转子类零件的各级转子进行清洗，特别是焊缝部位，保证焊缝清洁；按设计图将各级转子装配好，检测保证各级转子辐板的径跳和端跳≤0.03mm；装配完成后，将转子类零件装夹到电子束焊接工装上并压紧，保证焊缝间隙≤0.03mm；
步骤6.2、零件的定位焊接
将装夹好转子类零件的电子束焊接工装安装到真空电子束焊机的转盘上，将转子类零件送入真空室抽真空，并将转子类零件翻转至垂直状态，待真空室压强≤6×10-2Pa后，启动自动定位焊接程序，分别对两条环焊缝进行小电流、八点对称定位焊；
步骤6.3、电子束焊接
调整转子类零件位置，使电子束斑点对准内侧环焊缝，在焊接程序中设定起弧、搭接、收弧度数，并输入优化后的焊接参数，运行程序进行焊接；焊接完成后，将转子类零件周向旋转180°，调整转子类零件位置，使电子束斑点对准外侧环焊缝，采用相同焊接参数和工艺完成外侧焊缝的焊接；
步骤6.4、转子类零件的焊缝质量检测和尺寸测量
焊接完成后，对焊缝进行外观、X光和荧光检查，焊缝质量达到Ⅰ级焊缝的标准要求；检测转子类零件的焊接变形，辐板的径跳和端跳≤0.03mm，辐板轴向位移≤0.3mm，焊接收缩量控制在0.15～0.18mm内，叶片缘板轴向位移≤0.2mm，满足零件设计和使用要求。
2.根据权利要求1所述的一种转子类零件的电子束焊接变形精密控制方法，其特征在于：步骤3所述的电子束焊接工装包括中心轴、上限位、压盖、定位环、下限位、底座及吊环，所述底座中心孔处安装有下限位，且下限位与底座通过螺栓紧固，底座上表面安装有定位环，且定位环通过螺栓与底座固定，定位环位于下限位的外侧，所述下限位顶部的盲孔与中心轴一端安装，中心轴另一端依次贯穿上限位、压盖及螺帽，且中心轴的定位端面与上限位的内端面配合，上限位位于压盖的内侧，中心轴突出压盖部分螺接有螺帽，所述定位环与压盖之间安装有转子类零件，且转子类零件一端通过下限位定位，另一端通过上限位定位。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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