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          電子束焊接在航空發(fā)動(dòng)機制造中的應用

          2018-08-20 15:34:00
          陸啟蒙
          原創(chuàng )
          8734

          電子束焊接技術(shù)自上世紀50年代誕生以來(lái),以其功率密度高、焊接熱輸進(jìn)量小、零件變形小、焊后殘余應力小、焊縫深寬比大、焊接接頭無(wú)氧化、焊縫質(zhì)量好等特點(diǎn),廣泛應用于航空、航天及原子能等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中。在航空制造業(yè)中,電子束焊接技術(shù)的應用,大大進(jìn)步了飛機發(fā)動(dòng)機的制造水平,使發(fā)動(dòng)機中的很多減重設計及異種材料的焊接成為現實(shí),大大進(jìn)步了發(fā)動(dòng)機的性能和制造水平,同時(shí)為很多整體加工難以實(shí)現的零件制造提供了一種加工途徑。隨著(zhù)現代新型發(fā)動(dòng)機研制的需要,電子束焊接在該領(lǐng)域的應用日益廣泛,并顯示出很大的優(yōu)越性。

          電子束焊接在發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇機匣制造中的應用

          在航空發(fā)動(dòng)機低壓風(fēng)扇機匣的制造過(guò)程中,為了減輕發(fā)動(dòng)機的重量,新型發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇機匣采用鈦合金制造,采用機匣外環(huán)與靜子葉片電子束焊接的工藝,簡(jiǎn)化了制造工藝,同時(shí)在鈦合金的焊接過(guò)程中,電子束焊接在真空中進(jìn)行,完全避免了鈦合金在大氣中焊接存在的氧化題目,電子束焊接熱輸進(jìn)量小,零件變形小,可以實(shí)現數控編程一次完成焊接,生產(chǎn)效率高,焊接質(zhì)量好。采用焊接結構大大減輕了風(fēng)扇的重量,為了更進(jìn)一步減重,在保證機匣強度和剛性的情況下,使機匣壁厚減薄。由于機匣焊后其氣流通道無(wú)法再進(jìn)行加工,風(fēng)扇機匣的電子束焊接首先要選擇合適的焊接參數,使鈦合金材料焊接實(shí)現單面焊雙面成形,焊接時(shí)不能產(chǎn)生嚴重的焊接飛濺物,且焊縫背面堆高不能太大,否則會(huì )對機匣流道中氣體的運動(dòng)產(chǎn)生影響;然后采用合適的焊接工藝方案及焊接熱處理工裝,確保零件焊后變形最??;最后編制公道可行的數控程序,完成零件的焊接。采用電子束焊接方法加工的某機一、二、三級機匣使用情況良好。

          電子束焊接在壓氣機制造中的應用

          在壓氣機部件的制造過(guò)程中,電子束焊接應用更加廣泛。壓氣機轉子一般選材為GH4169 材料和鈦合金材料,其主要特點(diǎn)是轉速高,每分鐘可達數千或數萬(wàn)轉,鼓盤(pán)式轉子兼有鼓式轉子的抗彎剛性和盤(pán)式轉子的承受大離心載荷的能力,因而被廣泛采用,尤其是在現代渦扇發(fā)動(dòng)機的高壓壓氣機上。

          在不可拆卸的鼓盤(pán)式轉子上,通常采用圓柱面緊度配合加徑向銷(xiāo)釘連接和焊接兩種方案,機械連接優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單,工作可靠,但是轉子的零件多,制造偏差會(huì )影響轉子的定心和平衡,連接處結構要加寬加厚,會(huì )增加轉子的重量。隨著(zhù)焊接技術(shù)的發(fā)展,在現代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機中采用焊接式轉子的越來(lái)越多,焊接轉子一般采用電子束焊接和摩擦焊。

          焊接的鼓盤(pán)式轉子不需要連接件,在焊接過(guò)程中必須保證組件的同心度和跳動(dòng)要求,避免了加工和裝配環(huán)節可能產(chǎn)生的質(zhì)量不穩定因素,因而有效地減輕了結構重量,進(jìn)步轉子的工作可靠性,但是轉子的焊接方法,對焊接技術(shù)有很高的要求,必須保證零件的焊縫質(zhì)量滿(mǎn)足驗收標準的要求,且焊縫的焊接質(zhì)量應十分穩定,一條焊縫的質(zhì)量超差,可能造成整個(gè)轉子無(wú)法使用。轉子的電子束焊接,要保證精度高,變形小,無(wú)氧化,高強度,低殘余應力和質(zhì)量穩定,這就必須有大型的數控電子束焊接設備和成熟的焊接技術(shù),同時(shí)還要靠焊接工裝和公道的工藝來(lái)保證。

          在壓氣機轉子的電子束焊接結構件的制造中,焊接過(guò)程中焊縫中易產(chǎn)生氣孔缺陷,尤其是鈦合金,由于轉子件焊接級數較多,加之零件的生產(chǎn)本錢(qián)較高,因此焊接一般情況下要確保一次成功。由于焊后襯底在探傷前進(jìn)行了往除,一旦焊縫中出現缺陷(如氣孔)通過(guò)一次補焊很難徹底消除,轉子件焊前應對焊接參數的公道性在模擬件上進(jìn)行驗證,為了防止氣孔的產(chǎn)生,焊接接頭的襯底上應加工排氣槽,接頭焊前清洗應十分干凈,再根據材料的不同對接頭進(jìn)行相應的化學(xué)和機械清理;焊接過(guò)程中采用穿透焊接,有利于消除氣孔缺陷但要做好焊接飛濺物的防護工作,且焊接熱輸進(jìn)較大,零件易變形;采用非穿透焊接,必須將焊接中產(chǎn)生的缺陷盡可能深地引進(jìn)到焊接襯底中往,隨后將襯底往除,無(wú)需修飾焊接工藝;為了保證焊縫質(zhì)量,一般要加厚襯底,并焊成襯底背面微透,這樣,就不存在飛濺物燒傷和粘附題目,零件的變形也易控制。由于零件焊接后內部一些形面無(wú)法加工,因而轉子件對焊后的同心度,焊接收縮量和跳動(dòng)值有非常嚴格的要求,必須從焊接工藝方法上,焊接及熱處理工裝上采取措施,防止轉子的變形。

          為了進(jìn)一步減輕轉子件的結構重量,現代先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機已采用整體葉盤(pán)制造技術(shù),根據加工的難易程度和經(jīng)濟性采用整體加工或線(xiàn)性摩擦焊連接盤(pán)與葉片,大大減輕了連接處的重量,盤(pán)與盤(pán)之間的連接采用電子束焊接工藝。該技術(shù)在西方國家的軍民用飛機發(fā)動(dòng)機壓氣機轉子上已經(jīng)采用,我國正在加快這方面的技術(shù)攻關(guān)和研究工作。

          電子束焊接在渦輪制造中的應用

          在燃氣渦輪部分,盤(pán)軸采用電子束焊或摩擦焊連接是一種最簡(jiǎn)單的不可拆卸結構,中間沒(méi)有連接件,重量最輕。但由于渦輪部分為承力轉動(dòng)件,在工作過(guò)程中存在很大的扭轉載荷,焊接須確保盤(pán)軸的同心度和跳動(dòng)要求,因此對焊接接頭質(zhì)量要求十分苛刻。國內在某型靶機的發(fā)動(dòng)機中就采用電子束焊接工藝,將1Cr11Ni2W2MoV材料的渦輪軸和K418材料的精鑄葉盤(pán)焊接為一體。在某型機低壓渦輪軸的生產(chǎn)過(guò)程中,也曾采用電子束焊接將GQGH4169材料的軸連接起來(lái)。采用焊接結構件較整體件加工降低了機加工難度,同時(shí)節約了材料,經(jīng)濟性好。國外在RB199等發(fā)動(dòng)機的高壓渦輪部分就采用了電子束焊接結構。盤(pán)軸焊接結構,必須考慮不同材料的焊接接頭在各種使用工況下的影響,焊接接頭的位置盡量放在應力較小、壁厚較薄的位置。

          在渦輪導向葉片的制造過(guò)程中,由于導向葉片除受到較大的氣動(dòng)力與不穩定的脈動(dòng)負荷外,還處于高溫燃氣的包圍之中,溫度高,冷熱變化大,溫度不均勻情況很?chē)乐?,熱沖擊和熱疲憊成為葉片失效的主要原因之一。因此,導向葉片一般做成單個(gè)的或兩葉、三葉組,便于裝配、定位和公差控制,損壞后也易更換。導向葉片的材料為鑄造高溫合金,材料價(jià)格昂貴,這類(lèi)材料的材質(zhì)很硬,采用精密鑄造,為了增強葉片的冷卻效果,進(jìn)步工作質(zhì)量,一般做成空心葉片。在TAY及WS9發(fā)動(dòng)機上,高壓渦輪導向葉片均為采用電子束焊接的三葉組結構。葉片緣板的對接焊是典型的變截面焊接,焊接厚度范圍在2~12mm之間變化,需由同一參數一次完成焊接,且要求焊縫為Ⅲ級,葉片焊縫中易產(chǎn)生裂紋缺陷,尤其是在發(fā)動(dòng)機上工作一段時(shí)間后,裂紋的產(chǎn)生與材料中Al、Ti及雜質(zhì)元素的含量較高有關(guān)。為了更進(jìn)一步進(jìn)步發(fā)動(dòng)機渦輪前工作溫度,現代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機已采用很多新型耐受更高溫度的材料,如現在某機所用的Ni3Al基的IC10材料定向結晶鑄造的渦輪導向葉片,其工作溫度為1100℃,由T LP擴散焊焊成兩葉組使用。該材料采用熔焊方法易產(chǎn)生焊接裂紋。

          電子束焊接在燃燒室制造中的應用

          在發(fā)動(dòng)機燃燒室的加工制造過(guò)程中,電子束焊接得到了更多的應用。燃燒室部件是發(fā)動(dòng)機中承受熱負荷最大的部件,重量要輕。燃燒室部件易出現故障,危及自身及其他部件。因此對燃燒室部件的制造質(zhì)量要求較高。在燃燒室機匣的制造中,采用電子束焊接工藝將安裝邊與鈑金件焊接起來(lái),大大節約了材料?,F代發(fā)動(dòng)機多采用環(huán)形燃燒室結構,其燃燒室內外機匣均采用電子束焊接結構,一般為GH4169材料,多為薄壁件,焊接時(shí)保證焊縫質(zhì)量滿(mǎn)足驗收標準的Ⅰ級要求。電子束焊接完成燃燒室外機匣、前置擴壓器和內機匣的連接。在某機機匣內套的生產(chǎn)中,涉及GH141材料的電子束焊接,焊后在焊接接頭區域發(fā)現微裂紋。針對此情況,分析判定其為應變時(shí)效裂紋,焊前對GH141材料進(jìn)行時(shí)效處理,并從焊接工藝、工裝等方面著(zhù)手,控制焊后應力,解決了焊接裂紋題目?;鹧嫱驳闹圃齑罅坎捎昧穗娮邮附庸に?。實(shí)現外壁與頭部及帽罩的焊接。由于結構原因,電子束焊接要控制焊接熱輸進(jìn)量,防止零件變形,根據零件的具體結構,有些情況下須采用非穿透焊接工藝,防止焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物和焊瘤對發(fā)動(dòng)機的使用造成影響。

          電子束焊接在其他組件制造中的應用

          液壓作動(dòng)筒在發(fā)動(dòng)機上調節尾噴管的噴口大小,屬于發(fā)動(dòng)機上的關(guān)鍵件。在某機液壓作動(dòng)筒的制造過(guò)程中,活塞上裝有橡膠密封圈,采用電子束焊接將蓋和襯筒連接起來(lái)。由于液壓作動(dòng)筒壁厚較小,焊接過(guò)程中必須嚴格控制焊接變形,以確?;钊谕搀w中的自由往復運動(dòng);焊接過(guò)程中,零件的溫升必須要小,保證焊接熱循環(huán)對活塞上的密封圈質(zhì)量無(wú)影響;另外,在保證有效焊接截面完全焊透的情況下筒體中無(wú)焊接飛濺物,這就必須從焊接接頭的設計上著(zhù)手解決。在液壓作動(dòng)筒的焊接過(guò)程中,必須選擇較小的焊接熱輸進(jìn)量,采用局部焊透工藝和用銅激冷塊帶走焊接熱量的方法。

          發(fā)動(dòng)機傳動(dòng)齒輪制造中,采用電子束焊接方法,將齒輪環(huán)與齒輪軸焊接起來(lái),解決了齒輪軸加工過(guò)程中插齒、磨齒的困難。齒輪軸焊接過(guò)程中,軸和齒環(huán)采用過(guò)盈裝配,氣孔是其焊縫中最易產(chǎn)生的缺陷,加大焊接襯底的厚度,并加開(kāi)放氣槽,將焊接產(chǎn)生的氣孔盡可能深地引進(jìn)襯底中,焊后機加工往除,能很好地解決氣孔缺陷。另外,應對焊接接頭背面的齒輪進(jìn)行保護,防止焊接殘余電子束的擊傷。用此方法焊接的某型機12Cr2N i4A材料的傳動(dòng)齒輪,焊縫質(zhì)量滿(mǎn)足驗收標準的要求,且焊后齒輪軸的尺寸和跳動(dòng)符合設計圖。

          結束語(yǔ)

          隨著(zhù)飛機發(fā)動(dòng)機科研生產(chǎn)的需要,西安航空發(fā)動(dòng)機公司近年引進(jìn)了3臺進(jìn)口數控高壓真空電子束焊機,真空室尺寸為1.5m3、5.5m3和36m3,同時(shí)對原有的一臺0.7m3的德國產(chǎn)電子束焊機進(jìn)行了大修改造。公司承擔著(zhù)繁重的飛機發(fā)動(dòng)機科研試制和批產(chǎn)任務(wù),主要包括一、二、三級風(fēng)扇機匣、多種高低壓壓氣機轉子、高壓渦輪機匣、燃燒室機匣、火焰筒組件等大約180多種零件,涉及不銹鋼、高溫合金及鈦合金等很多材料,焊接產(chǎn)品質(zhì)量穩定,滿(mǎn)足了部隊裝機需要,考核試驗未出現焊接質(zhì)量題目。先后攻克了鈦合金材料電子束焊接的氣孔題目,GH14材料焊后的裂紋題目等很多技術(shù)困難,焊接技術(shù)氣力雄厚,為今后我國大型軍民用飛機發(fā)動(dòng)機研制和批產(chǎn)打下了堅實(shí)的基礎。


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