新型航空发动机前后冷气导管CO2激光焊研究

新型航空发动机前后冷气导管CO2激光焊研究

刘金合李华伦张津生谈军

〔摘要〕航空燃气涡轮发动机前后冷气导管是一薄壁(δ=0.2mm)零件，材质为Inconel 625高温合金。本文介绍了采用CO2激光进行焊接的工艺措施。结果表明，焊缝平整、均匀，热影响极小，焊缝强度σ?b达到母材的96%。
〔关键词〕激光焊接；航空发动机；冷气导管
〔中图分类号〕V23〔文献标识码〕A〔文章编号〕1001-4381(1999)06-0022-02

CO2 Laser Beam Welding of Leading and Trailing
Inserted Tube for Air Coolant on Aeroengine

LIU Jin-he,LI Hua-lun,ZHANG Jin-sheng
(College fo Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China)
TAN Jun
(Aeronautical Engine Company of Xi'an 710000,China)

Abstract：The leading and trailing inserted tube for air coolant on an aeroengine is a thin wall component,it is made of Inconel 625 alloy sheet (thickness 0.2mm).The welding technology about the tube is introduced in this paper.The results indicate the weld is leveling and uniform,the HAZ is nearly zero and the TS(Tensile Strength) σ?b of the weld reaches 96% of the base metal.
Key words：laser beam welding;aeroengine;tube for air coolant

航空燃气涡轮发动机具有较高的推重比，其燃烧室温度也较高。由火焰筒中产生的高温气流喷出后进入导向叶片内，安装于导向叶片内的前后冷气导管的作用是进行冷却，调节叶片腔内的温度场。冷气导管内气流有二条流动路径，一是沿导管轴向流出，二是通过管壁上的小孔流向叶片的内腔。显然，冷气导管承受张力和温度应力。
冷气导管材料采用镍基变形高温合金Incol 625,它是一薄壁零件，厚度仅0.2mm，产品要求焊缝对接，不允许搭接，不加填料，焊缝外观均匀，无裂纹，焊后必须满足与导向叶片内腔的型腔配合，因而要求变形小。
对该零件，厂方曾列为攻关课题，采用多种焊接方法进行试验，均不能达到技术要求，最后决定厂、校联合，采用激光焊接进行难题攻关。

1试验方案设计

1.1工件的制备
由于工件太薄，在不加填料的情况下对工件的制备提出了更高的要求：1)零件成型尺寸要精确；2)成型后进行电火花线切割时，应保证电极丝沿与冷气导管待切面的法线一致的方向切入。
1.2型芯的制作
在数控铣床上加工紫铜型芯，前、后冷气导管型芯各一组。
1.3焊前清洗
(1)酸洗：将氢氟酸130g、硫酸铁300g加入到60～70℃的1L水中，焊件在溶液中浸泡15～20min；
(2)中和：将8～10g的NaOH和30～50g的Na2CO3加入到60℃的1L水中，浸泡焊件1～2min；
(3)超声波清除：零件冲洗后再用超声波清洗1h；
(4)用脱脂棉球蘸丙酮，清理待焊部位；
(5)装配时不得用手触摸待焊部位。
1.4工装及装配要求
(1)焊缝两边的错边不大于0.08mm；(2)在整个焊缝上，焊前装配间隙不大于0.05mm；(3)在与焊缝纵向垂直的方向上施以夹紧力；(4)在型芯与待焊处施以压紧力；(5)待焊处与型芯密切贴合，间隙不大于0.05mm；(6)待焊处两边的压块距焊缝中心距离在3～5mm间；(7)焊缝尺寸留有约10mm长的余量。
1.5焊接过程中对型芯的随时检查、修磨及清理
每焊一个冷气导管，都要小心地用木板敲击型芯，取出后仔细检查与焊缝对应处有无烧蚀现象，如有烧损，及时磨平。在装入新的导管前用丙酮仔细清理。
1.6聚焦镜焦距的选取
应采用较长焦距的聚焦镜，目的在于提高焦深。焦深L的表达式为

式中L—焦深，K—光束质量系数，f—聚焦镜焦距，D—聚焦前的激光束直径。由(1)式知，焦深与聚焦镜焦距的平方成正比，焦深增加会使焊接质量对焊缝错边的敏感性降低，这对薄板的焊接尤为重要。本研究采用旋转抛物面反射镜聚焦，焦距f=200mm。

1.7离焦量
本研究采用正离焦，离焦量 Δf=+5 mm。
1.8激光功率
实验在德国进口的RS850型5 kW CO2激光器上进行，输出功率可达5.5 kW。该激光器具有恒流控制、恒功率控制以及程序自动控制三种运行方式。
该零件最终选用的激光功率为1050W，采用恒功率工作方式。正常情况下功率波动不大于3%。
1.9其它工艺参数的选定
根据数控工作台的综合性能，焊接速度选定为2.2m/min，采用He气保护，流量为5L/min。

2试验结果及分析

结果表明，焊缝外观平整，宽度均匀，变形极小，经萤光检查无裂纹，产品合格率达到90%以上。焊缝抗拉强度可达到母材的95%以上。
焊缝金相分析表明，焊缝热影响区极小，几乎为零，熔合区晶粒长大不明显，这是由于激光焊接加热集中、热输入少、焊接速度快造成的。焊缝熔合区存在着显著的结晶不平衡，结晶面上形成了深入液相的针状组织，在针状组织的横向出现有短小的二次结晶。在奥氏体晶粒和晶界处存有弥散、粒状、黑色的碳化析出物，这些碳化物对位错移动有阻碍作用，因而可提高材料的强度。
焊缝中心的组织为等轴的奥氏体树枝晶，这是由于焊缝中心的导热相对较慢，温度梯度相对熔合区来说较小，结晶速度快，液相中存在较大的过冷度，可在距界面较远的液相中形核，形成等轴树枝晶。
断口分析表明，断口属微孔聚合性断裂，从断口形貌可看到大量的韧窝，图中短而弯曲的白色部分是先期断裂的撕裂棱，撕裂棱突出部分较小，韧窝浅而不连续；图中较大的白色弯曲部分是后期断裂部分，由于发生了较大的塑性变形，所以撕裂棱较大且连续。其原因在于韧窝底部分布着一些塑性较小的碳化物析出相，焊缝受力时，塑性变形首先发生在包含碳化物的晶粒的边界，当塑性变形达到一定程度后，在一些部位发生位错的塞积，导致微裂纹的形成，继续加载时微裂纹扩展并连接起来，直到最终断裂。

3使用情况

经反复研究与试验，已成功地焊接了六台份的前、后冷气导管。其中二台份已进行了地面试车，前后冷气导管使用情况良好。
前后冷气导管CO2激光焊接的成功在国内航空发动机类似零件的焊接中尚属首次，它加速了航空发动机的研制进度。

4结论

(1)对前后冷气导管激光焊工装的设计要求合理，选定的工艺参数适当。
(2)用连续CO2激光焊接厚度为0.2mm、材质为 Inconel 625的前后冷气导管，焊缝抗拉强度可达母材的95%以上。
(3)经航空发动机地面试车表明，CO2激光焊用于前后冷气导管焊接是成功的。

〔作者简介〕刘金合，(1947-)，男，教授，西北工业大学激光焊接研究室主任。现任中国焊接学会理事。长期从事激光焊接的教学与科研工作，主持有关激光的国家及横向课题20多项，先后获省部级科技进步一、二、三等奖共6项。联系地址：陕西西安西北工业大学激光焊接研究室(710072)
作者单位：刘金合李华伦张津生（西北工业大学材料科学与工程学院，西安710072）
谈军（西安航空发动机公司，西安710000）

参考文献

〔1〕刘金合.高能密度焊.西安：西北工业大学出版社，1995.
〔2〕曹明翠等.激光热加工.武汉：华中理工大学出版社，1995.