风扇一、二级静子叶片组件的电子束焊接工艺

　摘 要：某发动机风扇一、二级静子叶片组件为双缘板、多联体结构，材料为TC4合金，其由数量不等的单个静子叶片组合焊接而成。最初设计采用真空钎焊工艺，但由于钎焊温度为960℃，处于TC4合金的超塑性温度区间易造成叶身变形大，无法满足设计要求，因此设计最终采用了真空电子束焊工艺。文章主要介绍了一、二级静子叶片的真空电子束焊接工艺过程，通过夹具固定限位、焊接工艺性设计、工艺参数试验以及焊后变形量测量统计等一系列工艺措施，成功实现了变截面接头的焊缝成形，保证了叶片组件尺寸精度，有效控制焊接变形问题，消除咬边、烧穿、气孔、局部塌陷等焊接缺陷。
　　关键词：电子束焊；焊接变形；气孔；焊缝成形
　　引言
　　某发动机风扇一、二级静子叶片组件为双缘板、多联体结构，由多个单体叶片组合焊接而成。多联体叶片组件经装配组环，并通过上下缘板连接内、外环形成风扇静子单元。该组件最初设计采用真空钎焊工艺，但由于真空钎焊温度为960℃，处于TC4合金的超塑性温度区域易造成叶身变形大，无法满足设计要求，因此设计最终采用了真空电子束焊工艺。但是，该组件尺寸精度高，进、排气边上下缘板同心度为0.05mm，沿缘板方向长度尺寸精度为0.1mm；缘板安装边变截面台阶差大、圆角小，台阶差达3mm，转接圆角仅为R3；同时由于焊缝背面已经加工到最终尺寸，焊后背面无法通过机械加工消除缺陷，因此，电子束焊接该组件难度极大，在保证零件的焊接质量的前提下，还必须采取合理的工艺措施控制零件变形，保证组件尺寸精度要求。
　　1 叶片材料及结构分析
　　1.1 叶片材料
　　TC4（Ti-6Al-4V）合金属于（α+β）型双相钛合金，含有6%α稳定元素Al和4%β稳定元素V，这种合金具有比重轻、比强度高、耐腐蚀和高温抗蠕变等优异的综合性能，并可通过热处理强化，广泛应用于航空发动机工作温度在400℃以下的整体叶盘、钛合金叶片以及机匣类组件[1]。
　　1.2 结构分析
　　一、二级静子叶片组件上缘板采用电子束拼焊工艺，下缘板不进行焊接，焊后严格保证焊缝横向总收缩量控制在0.20mm以内（组合加工后保证0.10公差）。其中一级静子叶片组件接头中段厚度为3.5mm，转接R圆角半径为3mm，两侧缘板厚度在6.3mm～7.8mm之间，单侧缘板宽度16mm；二级静子叶片组件接头中段厚度为3.5 mm，转接R圆角半径为3mm，两侧缘板厚度在6.5mm～7.8mm之间，单侧缘板宽度12mm。在电子束焊接过程中需根据3个典型厚度临界点分别选择3套工艺规范，保证接头不等厚区域均能焊透的同时避免背面形成焊漏。同时对于转接圆角处容易形成咬边缺陷的问题，应通过调节焊接速度、聚焦电流和束流等参数避免咬边缺陷的产生[2]。
　　2 焊接工艺
　　2.1 工装夹具
　　焊接工装在设计上以尽量减少焊接变形为依据，在能产生焊接变形的方向上都加以限制，以最大限度地减少焊接变形，为了避免焊接飞溅物烧伤叶身，在焊缝反面做了一个U型槽。
　　2.2 装配定位焊
　　定位焊前先将单体叶片全部装配在夹具上，检查装配间隙不大于0.1mm，必要时可对局部位置进行修配，保证装配间隙要求。对于装配错边问题，按照标准规定静子叶片组焊前零件的错边不大于0.1T（T为零件厚度），厚度差大时会影响电子束焊接的焊接质量，因此在进行定位焊之前配做，测量零件焊接区域的厚度尺寸，选厚度差异最小的零件组成一组，尺寸差大于0.1T时，通过机械打磨焊接截面的临近区域，使两个零件焊接区域的厚度差控制在0.1T范围内。
　　焊前采用氩弧焊定位，每两个叶片之间定位两点，定位焊长度约10mm左右，定位焊应保证无裂纹、气孔、夹杂，焊点颜色应为银白色或淡黄色，零件表面不能有电弧烧伤，定位焊点尺寸应尽量小且能被电子束焊缝完全覆盖。
　　2.3 引弧块和熄弧块
　　由于叶片缘板厚且长度较小，直接在零件上起弧势必造成零件焊不透，而收弧部位会由于收弧太急而产生较大的弧坑，因此，在焊缝的两侧安装了引弧块和熄弧块，采用氩弧焊定位焊的方法使其与叶片连接起来。
　　2.4 工艺参数验证