CN112276331B - 一种用于双辐板涡轮盘的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种双辐板涡轮盘的焊接方法，这种方法焊接而成的双辐板涡轮盘界面成分均匀、变形少，焊接界面力学性能与基体相当，同时还能实现周向和径向精准定位，结构简单、装拆方便。

Description

一种用于双辐板涡轮盘的焊接方法
技术领域
本发明属于航空发动机和燃气轮机领域涡轮盘制造领域，具体涉及一种用于双辐板涡轮盘的焊接方法。
背景技术
双辐板涡轮盘，较常规的涡轮盘减重明显，进而减轻发动机整体质量，提高涡轮转子承载能力，从而提高发动机推重比，是下一代航空发动机关键技术之一。双辐板涡轮盘通过左、右两个辐板焊接而成，左、右辐板之间形成一个中心盘腔。涡轮盘工作环境恶劣，导致盘体温度和应力都比较高，加上双辐板涡轮盘焊接难度大，因此，对双辐板涡轮盘的焊接要求极高。焊接方法是制约双辐板涡轮盘制造成功的关键因素。
国外对双辐板涡轮盘的焊接为通过增加中间夹层，抽真空加温加压的方法焊接，没有预扩散这个环节，高温、高压焊接不可避免会导致零件变形。国内常规转子焊接采用的惯性摩擦焊和加压过渡液相扩散焊(TLP)方法容易在焊接边界产生大量的飞边，而焊接成形后盘腔内飞边难以加工。
发明内容
本发明的目的：提出一种双辐板涡轮盘的焊接方法，这种方法焊接而成的双辐板涡轮盘界面成分均匀、变形少，焊接界面力学性能与基体相当，同时还能实现周向和径向精准定位，结构简单、装拆方便。
本发明的技术方案：提供一种用于双辐板涡轮盘的焊接方法，所述焊接方法包括：
步骤1，焊接面加工：双辐板涡轮盘毛坯左辐板1加工出左盘心焊接界面6、左内腔轮廓7、左盘缘预扩散焊接内界面8、左盘缘焊接界面9、左盘缘预扩散焊接外界面10、左径向定位止口11和周向定位凸块19；
双辐板涡轮盘毛坯右辐板3加工出右盘心焊接界面12、右内腔轮廓13、右盘缘预扩散焊接内界面14、右盘缘焊接界面15、右盘缘预扩散焊接外界面16、右径向定位止口17和周向定位凹槽20；
步骤2，电镀：左盘心焊接界面6、右盘心焊接界面12、左盘缘焊接界面9、右盘缘焊接界面15采用电镀方式覆盖一层活性金属元素镀层；
步骤3，装配：将左辐板的左径向定位止口11、周向定位凸块19与右辐板的右径向定位止口17和周向定位凹槽20配合，使左盘缘预扩散焊接内界面8、左盘缘预扩散焊接外界面10分别对应与右盘缘预扩散焊接内界面14、右盘缘预扩散焊接外界面16接触，在左盘心焊接界面6、右盘心焊接界面12之间存在间隙；
步骤4，预扩散焊接：采用预扩散工艺对左盘缘预扩散焊接内界面8、右盘缘预扩散焊接内界面14进行初步焊接，对左盘缘预扩散焊接外界面10、右盘缘预扩散焊接外界面16进行初步焊接，形成盘缘密闭空腔18；
步骤5，热等静压：将预扩散焊接后的毛坯放入热等静压炉进行热等静压扩散，左盘心焊接界面6、右盘心焊接界面12焊接，并实现双辐板涡轮盘毛坯左辐板1、双辐板涡轮盘毛坯右辐板3焊接。
进一步地，双辐板涡轮盘毛坯左辐板1加工出的左盘缘预扩散焊接内界面8面积占轮缘总焊接面积的1～1.5％、左盘缘预扩散焊接外界面10占轮缘总焊接面积的1.5～2％。
进一步地，金属元素镀层为活性金属元素镍层。
进一步地，通过加温、加压方式进行预扩散焊接。
进一步地，预扩散焊接前在双辐板涡轮盘毛坯左辐板1的左加压面2、双辐板涡轮盘毛坯右辐板3的右加压面4均覆盖一层石墨纸，以避免盘缘预扩散焊接后盘件无法与压头分离。
进一步地，根据双辐板涡轮盘毛坯材料性能，确定双辐板涡轮盘毛坯左辐板1、双辐板涡轮盘毛坯右辐板3组织的状态和焊接温度。
进一步地，预扩散焊接温度、保温时间与热等静压扩散焊接温度、保温时间一致。
进一步地，保温时间为2～5小时。
本发明的有益效果：
方法简单、可靠、易实现；焊接界面沿轴向的变形小，且力学性能优异；焊接界面不会出现凸起或者飞边。
附图说明
图1双辐板涡轮盘轮廓及其毛坯结构；
图2双辐板涡轮盘左、右辐板的结构示意图；
图3双辐板涡轮盘焊接结构示意图；
其中，1-双辐板涡轮盘毛坯左辐板；2-左加压面；3-双辐板涡轮盘毛坯右辐板；4-右加压面；5-双辐板涡轮盘外轮廓；6-左盘心焊接界面；7-左内腔轮廓；8-左盘缘预扩散焊接内界面；9-左盘缘焊接界面；10-左盘缘预扩散焊接外界面；11-左径向定位止口；12-右盘心焊接界面；13-右内腔轮廓；14-右盘缘预扩散焊接内界面；15-右盘缘焊接界面；16-右盘缘预扩散焊接外界面；17-右径向定位止口；18-盘缘密闭空腔；19-周向定位凸块；20-周向定位凹槽。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：
1)焊接方法
本实施例，提供一种双辐板涡轮盘如图1所示焊接方法，本方法在双辐板涡轮盘加工完内腔后，外型处于毛坯状态时进行，通过内、外两个焊接面焊接双辐板涡轮盘毛坯左、右辐板，如图1所示，图1是双辐板涡轮盘轮廓及其毛坯结构，具体包括双辐板涡轮盘毛坯左辐板1、左加压面2和双辐板涡轮盘毛坯右辐板3、右加压面4，焊接完成后加工成双辐板涡轮盘外轮廓5。
本实施例的焊接方法包括如下步骤：
步骤1，焊接面加工：如图2所示，双辐板涡轮盘毛坯左辐板1加工出左盘心焊接界面6、左内腔轮廓7、左盘缘预扩散焊接内界面8、左盘缘焊接界面9、左盘缘预扩散焊接外界面10、左径向定位止口11和周向定位凸块19，双辐板涡轮盘毛坯右辐板3加工出右盘心焊接界面12、右内腔轮廓13、右盘缘预扩散焊接内界面14、右盘缘焊接界面15、右盘缘预扩散焊接外界面16、右径向定位止口17和周向定位凹槽20，其中左盘缘预扩散焊接内界面8面积占轮缘总焊接面积的1～1.5％、左盘缘预扩散焊接外界面10占轮缘总焊接面积的1.5～2％。
步骤2，电镀：左盘心焊接界面6、右盘心焊接界面12、左盘缘焊接界面9、右盘缘焊接界面15采用电镀方式覆盖一层活性金属元素镀层，该镀层有利于在焊接过程中实现金属界面更好的结合。
步骤3，装配：如图3所示，图3是双辐板涡轮盘焊接结构示意图，图3右图为图3左图中的A-A剖视图。将双辐板涡轮盘毛坯左辐板1左径向定位止口11、周向定位凸块19对应分别与双辐板涡轮盘毛坯右辐板3的右径向定位止口17和周向定位凹槽20精密配合，可以实现双辐板涡轮盘左、右辐板毛坯精准定位，同时使左盘缘预扩散焊接内界面8、左盘缘预扩散焊接外界面10分别对应与右盘缘预扩散焊接内界面14、右盘缘预扩散焊接外界面16接触，而在左盘心焊接界面6、右盘心焊接界面12之间存在间隙。
步骤4，预扩散焊接：采用预扩散工艺对左盘缘预扩散焊接内界面8、右盘缘预扩散焊接内界面14进行初步焊接，对左盘缘预扩散焊接外界面10、右盘缘预扩散焊接外界面16进行初步焊接，形成盘缘密闭空腔18，根据双辐板涡轮盘毛坯材料性能，确定双辐板涡轮盘毛坯左辐板1、双辐板涡轮盘毛坯右辐板3组织的状态锻态、亚固溶态、时效态和焊接温度。
步骤5，热等静压：将预扩散焊接后的毛坯放入热等静压炉进行热等静压扩散，左盘心焊接界面6与右盘心焊接界面12焊接，左盘缘焊接界面9与右盘缘焊接界面15焊接，实现双辐板涡轮盘左辐板1、双辐板涡轮盘毛坯右辐板3焊接，热等静压扩散焊接温度、保温时间与预扩散焊接温度、保温时间与一致，根据不同材料，保温时间大致为2～5小时，热等静压焊接后热处理时，冷却速率比同材料单辐板涡轮盘慢一些。
根据双辐板涡轮盘的材料性能，选择合适的热等静压焊接温度，可以得到组织良好、无析出相生产的焊接界面。
本实施例，左盘心焊接界面6、右盘心焊接界面12周向不连续，且面积比较小，无需先进行预扩散焊接，可直接进行热等静压焊接。
在盘缘密闭空腔18的两侧面左盘缘焊接界面9、右盘缘焊接界面15增加镀层，通过优化镀层成分、厚度，可以得到结合良好，析出相生成较少的焊接界面。
通过盘缘密闭空腔18的结构特征，可以实现焊接后轴向变形更小，通过提前开展工艺试验，优化盘缘密闭空腔18的空腔厚度尺寸，可以进一步减少焊接的变形和内腔飞边。
2)工作原理
这种方法的主要特点是增加了盘缘焊接部位盘缘密闭空腔18结构，并在焊接过程中增加了预扩散焊接环节，结构上在双辐板涡轮盘毛坯盘缘有左径向止口11、周向定位凸块19和右径向定位止口17、周向定位凹槽20，可以实现双辐板涡轮盘毛坯左辐板1、双辐板涡轮盘毛坯右辐板3精准定位，减小左、右辐板错位量。预扩散焊实现双辐板涡轮盘初步焊接，后续热等静压扩散焊接进行时可以有效控制盘缘焊接界面飞边；在焊接界面覆盖一层镀层，镀层熔点低于两边基体的熔点，容易扩散，在预扩散焊接环节便能将左、右焊接界面进行初步焊接，再通过热等静压扩散焊接实现充分扩散焊接，最终得到的焊接界面组织成分比较均匀、力学性能较好。

Claims (8)

1.一种用于双辐板涡轮盘的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括：
步骤1，焊接面加工：双辐板涡轮盘毛坯左辐板(1)加工出左盘心焊接界面(6)、左内腔轮廓(7)、左盘缘预扩散焊接内界面(8)、左盘缘焊接界面(9)、左盘缘预扩散焊接外界面(10)、左径向定位止口(11)和周向定位凸块(19)；
双辐板涡轮盘毛坯右辐板(3)加工出右盘心焊接界面(12)、右内腔轮廓(13)、右盘缘预扩散焊接内界面(14)、右盘缘焊接界面(15)、右盘缘预扩散焊接外界面(16)、右径向定位止口(17)和周向定位凹槽(20)；
步骤2，电镀：左盘心焊接界面(6)、右盘心焊接界面(12)、左盘缘焊接界面(9)、右盘缘焊接界面(15)采用电镀方式覆盖一层活性金属元素镀层；
步骤3，装配：将左辐板的左径向定位止口(11)、周向定位凸块(19)分别对应与右辐板的右径向定位止口(17)和周向定位凹槽(20)配合，使左盘缘预扩散焊接内界面(8)、左盘缘预扩散焊接外界面(10)分别对应与右盘缘预扩散焊接内界面(14)、右盘缘预扩散焊接外界面(16)接触，在左盘心焊接界面(6)、右盘心焊接界面(12)之间存在间隙；
步骤4，预扩散焊接：采用预扩散工艺对左盘缘预扩散焊接内界面(8)、右盘缘预扩散焊接内界面(14)进行初步焊接，对左盘缘预扩散焊接外界面(10)、右盘缘预扩散焊接外界面(16)进行初步焊接，形成盘缘密闭空腔(18)；
步骤5，热等静压：将预扩散焊接后的毛坯放入热等静压炉进行热等静压扩散，左盘心焊接界面(6)与右盘心焊接界面(12)焊接，左盘缘焊接界面(9)与右盘缘焊接界面(15)焊接，实现双辐板涡轮盘毛坯左辐板(1)、双辐板涡轮盘毛坯右辐板(3)的扩散焊接。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，双辐板涡轮盘毛坯左辐板(1)加工出的左盘缘预扩散焊接内界面(8)面积占轮缘总焊接面积的1～1.5％、左盘缘预扩散焊接外界面(10)占轮缘总焊接面积的1.5～2％。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，金属元素镀层为活性金属元素镍层。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，通过加温、加压方式进行预扩散焊接。
5.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，预扩散焊接前在双辐板涡轮盘毛坯左辐板(1)的左加压面(2)、双辐板涡轮盘毛坯右辐板(3)的右加压面(4)均覆盖一层石墨纸，以避免盘缘预扩散焊接后盘件无法与压头分离。
6.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，根据双辐板涡轮盘毛坯材料性能，确定双辐板涡轮盘毛坯左辐板(1)、双辐板涡轮盘毛坯右辐板(3)组织的状态和焊接温度。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，预扩散焊接温度、保温时间与热等静压扩散焊接温度、保温时间一致。
8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，保温时间为2～5小时。
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