CN115533355A - 一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，包括通气孔加工；薄板制备；通气管处理与焊接：在通气管端头加工一个豁口，将通气管穿过薄板通气孔，采用氩弧焊、等离子焊焊接方法将薄板与通气管进行焊接，使通气管端面凸出待焊表面。清洗待焊薄板、中间层合金；装配及定位焊中间层合金与薄板；封焊及除气；气压扩散焊，完成中间层合金的预置；层板冷却结构待焊件制备。本发明将中间层合金预置工序提前到特征微结构形成之前，通过大面积箔带‑薄板固相扩散焊工艺，实现箔带中间层合金预置，后经特征微结构加工去除多余中间层，从而降低了密排阵列特征微结构待焊坯中间层的预置难度，提高中间层合金预置的可操作性。

Description

一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法

技术领域

本发明属于航空发动机制造技术领域，尤其涉及一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，对于层板冷却结构件的扩散焊制造。

背景技术

随着航空、航天、燃/气轮机等制造领域对发动机性能提升的迫切需求，对热端部件的耐高温性能和结构减重提出更高的要求。层板冷却是一种新型的复合冷却方式，它集冲击冷却、对流冷却、气膜冷却方式于一体，又称为准发散冷却，具有降低零件壁面温度梯度、减小结构热应力、节约冷却空气用量及减轻结构重量等诸多优点，可有效提高热端部件结构强度和使用寿命，在燃烧室火焰筒、尾喷、稳定器等热端部件上具有明显的应用优势。

目前，层板冷却结构工艺流程一般为层板单件制备→扩散链接→坯料成形→拼焊→校形，一种典型结构层板，包括待焊坯I1、待焊坯II 2，扩散焊缝4及密排阵列孔5如图1所示。层板结构零件为典型的内部带拓扑优化特征、薄壁弱刚性复杂结构件，原材料多为高温合金薄板，在薄板上采用精密机械加工、电火花加工、激光加工、电解、光化学加工和LIGA等微结构加工方法制备具有密排阵列特征微结构3，并利用焊接(扩散焊、加压钎焊等)形成半封闭层板结构，随后先后通过坯料成形、拼焊、校形等多道工序，最终形成火焰筒、尾喷、稳定器等复杂功能结构件。传统的钎焊方法具有焊缝硬脆、难变形、成形过程易开裂、使用温度偏低、抗疲劳能力差等缺点，因此层板冷却结构件多采用扩散焊方法。传统的固相扩散焊对待焊面粗糙度、洁净度、坯料平面度和平行度，以及扩散焊工装、工艺控制要求高，否则扩散焊接头将产生未焊合缺陷或异常相聚集生成等问题，在使用过程中易产生开裂失效风险，从而影响结构的使用可靠性。在学术研究和工程领域，多使用TLP扩散焊或加压钎焊，以降低对待焊坯制备质量的要求，并通过液相焊接金属的流动、原子的扩散均匀化作用，实现焊合率更高、连接更可靠的高性能制造。

当采用TLP扩散焊或加压钎焊时进行层板结构零件焊接时，需在待焊面预置焊接材料(多称中间层合金)，中间层合金含有Si、B、P等降熔元素，中间层用量过大将导致待焊材料溶蚀、性能损伤。而层板冷却结构待焊坯I1上具有密排阵列特征微结构3，为减少对层板微结构、原始材料的结构和性能损伤，中间层合金的预置必须遵循小量且适用原则，一般在待焊坯I的特征微结构的待焊面上预置，中间层合金预置的准确性、牢固性及无污染是层板连接的技术难点。密排阵列特征微结构3具有海量、密排、阵列、微小尺寸特征，中间层的传统预置方法，由技能人员采用手工涂覆或利用储能微点焊的方法将中间层合金预置到密排阵列特征微结构3的待焊面4上，工作量大、精准度差、易脱落，难以实际操作，无法满足后续层板冷却结构的装配、扩散连接的需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，在分析层板冷却结构待焊坯制备方法、组件总体制造工艺的基础上，将中间层合金预置工序提前到特征微结构形成之前，通过大面积箔带-薄板固相扩散焊工艺，实现箔带中间层合金预置，后经特征微结构加工去除多余中间层，从而降低了密排阵列特征微结构待焊坯中间层的预置难度，提高中间层合金预置的可操作性。

一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，具体包括以下步骤：

步骤一：通气孔加工：在待焊薄板四周加工若干通气孔；

步骤二：薄板制备；

步骤三：通气管处理与焊接：在通气管端头加工一个豁口，将通气管穿过薄板通气孔，采用氩弧焊、等离子焊焊接方法将薄板与通气管进行焊接，使通气管端面凸出待焊表面。

步骤四：清洗待焊薄板、中间层合金；

步骤五：装配及定位焊中间层合金与薄板；

步骤六：封焊及除气；

步骤七：气压扩散焊，完成中间层合金的预置；

步骤八：层板冷却结构待焊坯制备，获得带中间层合金的待焊坯I；

所述步骤一中通气孔中心距薄板边缘尺寸为20～30mm。

所述步骤二中在对薄板制备使，采用平面磨加工对薄板进行预处理，使薄板待焊表面平面度≤0.03mm；采用表面研磨或抛光，对薄板待焊面进行洁净化和降低粗糙度值处理，使待焊表面粗糙度值≤0.2μmm。

所述步骤三中所述豁口的宽度不大于1/2管径、深度不超过1.2mm。

所述通气管端面凸出待焊表面的距离为0.6～1.2mm。

所述步骤四中采用无水乙醇、丙酮、去离子水、去矿物质水，冲洗或超声波清洗待焊薄板、中间层合金，清洗时薄板和中间层合金的待焊表面均不允许接触硬质物品。

所述步骤五中装配及定位焊的具体操作为：将待焊接的中间层合金、薄板的待焊表面相对放置，使中间层合金与薄板的一个短边对齐，采用储能点焊沿短边均匀定位完成该短边的定位焊，定位焊点间距不大于20mm；压紧完成点焊定位的短边，将中间层合金沿薄板平铺，使中间层合金无褶皱、凸起或破损，完成相对另一个短边的定位焊；最后完成两个长边的定位焊。

所述步骤六中采用真空电子束焊、激光焊、氩弧焊对装配及定位焊结束的坯料进行封边焊；随后采用抽真空装置通过通气管进行除气处理，使真空度优于4×10^-2Pa；满足真空度要求后，继续保持抽真空，同时采用电阻焊对通气管管体外部进行初步焊接，电阻焊点数量不少于3处；然后拆除抽真空装置，最后采用氩弧焊对管端头进一步封焊。

所述步骤七中，将步骤六中封边焊完成的毛坯送入可充大压力氩气的扩散焊设备或热等静压设备中，使气体压力为20～50MPa，焊接温度900～1090℃，保温时间为15～60min。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过采用中间层合金预置工序前置，解决采用常规预置方法进行具有密排阵列特征微结构待焊坯中间层预置存在的工作量大、精准度差、易脱落和难以操作问题。

(2)本发明通过通气孔加工、薄板制备、通气管焊接、清洗、装配及定位焊、封边焊及除气和气压扩散焊，无需复杂的包套系统，即可实现中间层合金与薄板均匀加压贴合、固相扩散焊，且不改变中间层合金的性能。

(3)本发明不仅可用于密排阵列特征微结构待焊坯中间层预置，同样适用于大面积、曲面、蜂窝夹芯的钎焊或扩散焊时中间层合金箔带的预置，具有极好的可推广性。

附图说明

图1为一种典型的层板结构示意图；

图2为本发明中的通气管焊接过程示意图；

图3为本发明中的封边焊过程示意图；

图4为带中间层合金的具有密排阵列特征微结构待焊坯的示意图；

其中，

1-待焊坯I，2-待焊坯II，3-密排阵列特征微结构，4-扩散焊缝，5-密排阵列孔，6-通气管，7-待焊表面，8-焊缝，9-电阻焊区域，10-管端头，11-中间层合金，12-带中间层合金的待焊坯I，13-薄板。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。

实施例1

一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，具体包括以下步骤：

步骤一：通气孔加工

本实施例中要进行中间层合金11预置的待焊薄板13为GH5188合金，在待焊薄板13四周加工若干通气孔，根据具体情况选择的通气管6直径加工通气孔，通气孔直径大于通气管6直径，使通气管6可以穿过通气孔，且通气孔与通气管6的间隙保持在周向间隙0-0.1mm；本实施例中通气孔直径为Ф8.2mm，通气孔中心距薄板13边缘尺寸为25mm。

步骤二：薄板13制备

采用平面磨加工对薄板13进行预处理，使薄板13待焊表面7平面度≤0.03mm；采用表面研磨，对薄板13待焊面进行洁净化和降低粗糙度值处理，使待焊表面7粗糙度值≤0.2μmm。

步骤三：通气管6处理与焊接

所述通气管6为高温合金或不锈钢薄壁管，直径为Ф8mm，在通气管6端头加工一个宽度为3.5mm、深度不超过1.2mm的豁口；将通气管6穿过薄板13通气孔，采用氩弧焊将薄板13与通气管6进行焊接，使通气管6端面凸出待焊表面7 0.6mm，焊缝8如图2所示。

由于后续需要对待焊中间层合金11、薄板13进行封焊及除气，以使待焊中间层合金11和薄板13形成真空、密封坯料，因此在通气管6上设计一个豁口，并使通气管6凸出薄板13待焊表面7，以防止通气管6因中间层合金11变形而封堵，从而确保除气进行的更彻底。

步骤四：清洗待焊薄板13、中间层合金11

本实施例中的中间层合金11为BNi2合金箔带，采用无水乙醇、丙酮、去离子水、去矿物质水，冲洗或超声波清洗待焊薄板13、中间层合金11，清洗时薄板13和中间层合金11的待焊表面7均不允许接触硬质物品。

步骤五：装配及定位焊中间层合金11与薄板13

如图3所示，将待焊接的中间层合金11、薄板13的待焊表面7相对放置，使中间层合金11与薄板13的一个短边对齐，采用储能点焊沿短边均匀定位完成该短边的定位焊，定位焊点间距不大于20mm；压紧完成点焊定位的短边，将中间层合金11沿薄板13平铺，使中间层合金11无褶皱、凸起或破损，完成相对另一个短边的定位焊；最后完成两个长边的定位焊，另一个短边与两个长边的定位焊方法与第一个短边相同。

步骤六：封焊及除气

采用氩弧焊对装配及定位焊结束的坯料进行封边焊；随后采用抽真空装置通过通气管6进行除气处理，使真空度优于4×10^-2Pa；满足真空度要求后，继续保持抽真空，同时采用电阻焊对通气管6管体外部进行初步焊接，电阻焊区域9如图2所示，电阻焊点数量3处；然后拆除抽真空装置，最后采用氩弧焊对管端头10进一步封焊，如果直接采用氩弧焊封焊管端头10，有可能应操作不当漏气，导致封焊失败。

步骤七：气压扩散焊

将步骤六中封边焊完成的毛坯送入可充大压力氩气的扩散焊设备或热等静压设备中，使气体压力为50MPa，焊接温度900℃，保温时间为60min，完成中间层合金11的预置。

步骤八：层板冷却结构待焊坯制备

利用包括精密机械加工、电火花加工、激光加工、电解、光化学加工和LIGA在内的现有微结构加工方法，在预置了中间层合金11的薄板13上制备密排阵列特征微结构3，同时去除多余的中间层合金11，获得带中间层合金的待焊坯I12，如图4所示。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中的待焊薄板13为GH3230合金，中间层合金11为B-Ni55NbCoWCrAlSiMoTi合金，步骤二中采用抛光对薄板13待焊面进行洁净化和降低粗糙度处理，步骤七中进行气压扩散焊的气体压力为50MPa，焊接温度1090℃，保温时间为15min。其余的设置及步骤与实施例1完全相同。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中的中间层合金11为B-Ni65CoCrWBMoAlNb，步骤七中进行气压扩散焊的气体压力为30MPa，焊接温度1000℃，保温时间为45min。其余的设置及步骤与实施例1完全相同。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中的中间层合金11为BCo50CrNiSiWB，步骤七中进行气压扩散焊的气体压力为40MPa，焊接温度1030℃，保温时间为25min。其余的设置及步骤与实施例1完全相同。

为了不影响后续层板冷却结构扩散焊，中间层合预置的扩散焊尤为关键。过高的焊接温度将使中间层合金11熔化，或使中间层合金11中的降熔元素向薄板13中过度扩散，从而使得中间层合金11失效或液相温度升高，无论是哪种结果都不利于后续的层板冷却结构扩散焊。

本发明将气压扩散焊温度设置为低于中间层合金11固相线温度的50～100℃，同时采用相对较大的扩散焊压力20～50MPa，使得中间层合金11发生充分的塑性变形，以合金塑性变形为驱动力促进中间层合金11和薄板13形成良好的界面物理接触，利用变形能促进元素扩散和界面再结晶，同时考虑到避免降熔元素过度扩散的发生，采用了相对较短的扩散焊保温时间15～60min。

Claims (9)

1.一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：通气孔加工：在待焊薄板四周加工若干通气孔；

步骤二：薄板制备；

步骤三：通气管处理与焊接：在通气管端头加工一个豁口，将通气管穿过薄板通气孔，采用氩弧焊、等离子焊焊接方法将薄板与通气管进行焊接，使通气管端面凸出待焊表面；

步骤四：清洗待焊薄板、中间层合金；

步骤五：装配及定位焊中间层合金与薄板；

步骤六：封焊及除气；

步骤七：气压扩散焊，完成中间层合金的预置；

步骤八：层板冷却结构待焊坯制备，获得带中间层合金的待焊坯I。

2.根据权利要求1所述的一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，其特征在于：所述步骤一中通气孔中心距薄板边缘尺寸为20～30mm。

3.根据权利要求1所述的一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，其特征在于：所述步骤二中在对薄板制备使，采用平面磨加工对薄板进行预处理，使薄板待焊表面平面度≤0.03mm；采用表面研磨或抛光，对薄板待焊面进行洁净化和降低粗糙度值处理，使待焊表面粗糙度值≤0.2μmm。

4.根据权利要求1所述的一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，其特征在于：所述步骤三中所述豁口的宽度不大于1/2管径、深度不超过1.2mm。

5.根据权利要求4所述的一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，其特征在于：所述通气管端面凸出待焊表面的距离为0.6～1.2mm。

6.根据权利要求1所述的一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，其特征在于：所述步骤四中采用无水乙醇、丙酮、去离子水、去矿物质水，冲洗或超声波清洗待焊薄板、中间层合金，清洗时薄板和中间层合金的待焊表面均不允许接触硬质物品。

7.根据权利要求1所述的一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，其特征在于：所述步骤五中装配及定位焊的具体操作为：将待焊接的中间层合金、薄板的待焊表面相对放置，使中间层合金与薄板的一个短边对齐，采用储能点焊沿短边均匀定位完成该短边的定位焊，定位焊点间距不大于20mm；压紧完成点焊定位的短边，将中间层合金沿薄板平铺，使中间层合金无褶皱、凸起或破损，完成相对另一个短边的定位焊；最后完成两个长边的定位焊。

8.根据权利要求1所述的一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，其特征在于：所述步骤六中采用真空电子束焊、激光焊、氩弧焊对装配及定位焊结束的坯料进行封边焊；随后采用抽真空装置通过通气管进行除气处理，使真空度优于4×10^-2Pa；满足真空度要求后，继续保持抽真空，同时采用电阻焊对通气管管体外部进行初步焊接，电阻焊点数量不少于3处；然后拆除抽真空装置，最后采用氩弧焊对管端头进一步封焊。

9.根据权利要求1所述的一种具有密排阵列特征微结构待焊坯的中间层预置方法，其特征在于：所述步骤七中，将步骤六中封边焊完成的毛坯送入可充大压力氩气的扩散焊设备或热等静压设备中，使气体压力为20～50MPa，焊接温度900～1090℃，保温时间为15～60min。

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