电子束焊接在燃气轮机研制中的应用

海军装备部 （西安 710000） 王文杰

一、电子束焊接技术特点及应用前景

电子束焊接技术起源于德国，经过几十年的发展，目前全世界已有几千台设备在核工业、航空宇航工业、精密加工业及重型机械等工业部门应用，其应用前景越来越广泛。电子束焊接是利用汇聚的高速电子轰击工件接缝处所产生的热能，使材料熔合的一种焊接方法。

1.电子束焊接技术特点

电子束焊接技术特点：①加热功率密度大。②焊缝熔深熔宽比大。③熔池周围气氛纯度高。

2.应用前景

随着电子束焊接技术在各工业领域的渗透，特别在精密加工、原子能及航空航天领域具有的应用前景，使得各国的研究者竞相展开了对电子束基础理论及应用技术的研究。美国、俄罗斯各研究人员利用电子束对碳钢、合金钢、不锈钢、金、铝合金及高强钢等材料进行了焊接工艺试验，对于电子束焊接参数（加速电压、焊接电流、速度、聚焦电流、焦点位置等）对接头组织及性能影响进行了研究，为合理地优化焊接工艺、保证接头的质量提供了理论依据。电子束焊具有穿透力强、焊缝深宽比大、焊接变形小、精确快速的可控性等诸多优点。但电子束焊接设备昂贵，焊接成本高，因而多应用于航空制造业，随着现代新型材料研制的需要，电子束焊接在该领域的应用日益广泛，并显示出很大的优越性。

二、电子束焊接在燃气轮机研制中的应用

随着燃气轮机技术的不断发展，传统的氩弧焊、电弧焊等焊接已不能满足其焊接要求，真空电子束焊接等先进焊接方法广泛应用到燃气轮机压气机机匣、压气机转子、涡轮转子及涡轮叶片研制中。

1.在压气机机匣研制中的应用

某燃气轮机的高、低压压气机机匣均是由整体电子束焊接成形的大型对开机匣，具有焊缝多、焊缝长、厚度大、交叉焊缝多等特点，焊接难度大、易出现焊接缺陷。

焊接接头的设计：焊接接头有多种形式，焊缝最好垂直于零件的壁面，也可以垂直于零件的轴线，接头可以带定位止口，也可以不带定位止口。因为机匣高、组焊零件多，而且质量大，所以机匣的径向焊缝选用垂直于机匣轴线带定位止口的接头形式，纵向焊缝选用平行于机匣轴线的无衬底的对接接头形式。

焊接夹具的设计：由于机匣高且重量大，焊接收缩量大，因而焊接夹具采用应过定位设计。夹具底座的中心应设计一个大直径的芯轴，芯轴顶端有一大顶针孔和机床尾座上的顶针配用，装在芯轴上的压紧盖板和螺帽之间设有大型蝶形弹簧，以补偿机匣焊缝的轴向焊接收缩量，使机匣在整个焊接过程中始终保持良好的定位压紧状态。

焊接参数试验：选用同材料、同状态、同厚度和同接头形式的试板，轴向焊接收缩量的模拟试验用缩小尺寸的焊接试环。焊接试验应进行多次，测取大量数据进行分析计算，焊接试板和试环的焊缝按相应的验收标准经X光检查及检验合格。

应注意问题：①退磁：检查夹具及零件的磁性，大于1Gs应退磁。②除油清洗：用汽油清洗夹具及零件，去除油污，用丙酮擦洗焊接面及其周围区域，以减少焊接气孔。③装配：检查清洗干净的夹具及零件有无被再次污染。装夹零件，用塞尺检查零件焊接结合面的间隙，压紧零件。④点焊定位：用氩弧焊对组焊零件进行对称点焊定位，定位焊缝的宽度应小于电子束焊缝的宽度。⑤补焊：必要时进行电子束或氩弧焊补焊，补焊后应重新进行消除应力的热处理和X光检查。

2.在压气机转子研制中的应用

压气机转子一般选材为GH4169材料和钛合金材料，其工作特点是转速高，转速可达数千或数万。随着焊接技术的发展，在现代先进发动机中采用焊接式转子的越来越多，焊接转子一般采用电子束焊接和摩擦焊，图1为电子束焊接的压气机转子结构。

图1 电子束焊接的压气机转子结构

（1）焊接精度要求高 焊接的鼓盘式转子必须保证组件的同心度和跳动要求，转子的电子束焊接，要保证精度高、变形小、无氧化、高强度及低残余应力，这就必须有大型的数控电子束焊接设备和成熟的焊接技术，同时还要靠焊接工装和合理的工艺来保证。

（2）焊接质量要求高 压气机转子焊接过程中焊缝中易产生气孔缺陷，尤其是对钛合金。焊前应对焊接参数的合理性在模拟件上进行验证，为了防止气孔的产生，焊接接头的衬底上应加工排气槽，接头焊前清洗应十分干净，再根据材料不同采用对接头的化学和机械清理。焊接过程中如采用穿透焊接，有利于消除气孔缺陷但要做好焊接飞溅物的防护工作，且焊接热输入较大，零件易变形；采用非穿透焊接，必须将焊接中产生的缺陷尽可能深的引入到焊接衬底中去，随后将衬底去除，无需修饰焊接工艺；为了保证焊缝质量，一般要加厚衬底，并焊成衬底背面微透，这样就不存在飞溅物烧伤和粘附问题，零件的变形也易控制。

（3）焊接参数试验 在每个零件焊接前，先进行试板的焊接，确定合适的焊接参数；然后使用选好的参数在等厚度、等直径的模拟试环上进行焊接，并按相同标准进行检测。试环合格后方进行正式零件的焊接。

（4）注意问题 ①焊前对零件进行酸洗，然后在焊接接头区域用不锈钢丝刷进行清理。②在焊接止口处开放气槽，零件焊接过程中产生的气体通过放气槽排出，降低焊缝气孔缺陷产生的几率。③焊前使用小束流对零件焊缝区域进行多次预热，既能清理焊缝，使脏物提前蒸发，又能减少热输入量，降低焊接应力。④优化焊接参数，采用聚焦焊接，使焊缝正面成形良好，背面微透，既减少了热输入量，又能将焊接产生的气孔缺陷集中在焊缝止口底部，便于车加工去除。⑤封焊和正式焊接时，每相邻的两条焊缝起、收弧位置错开180°，保证受热均匀，且所有焊缝的起、收弧点必须均布，以减少焊接变形。

3.电子束焊接在涡轮研制中的应用

涡轮部件是燃气轮机中承受高温高压高转速的部件，是燃气轮机研制工作的关键所在。为减轻重量、提高可靠性，新研发动机涡轮盘轴往往采用电子束焊接的一体化结构。涡轮导叶工作环境温度高，热交变应力大，研制难度大，目前国内外探索采用电子束焊接的多组叶片模式，取得较好效果。

（1）涡轮盘轴一体化焊接 在燃气涡轮部分，盘轴往往采用电子束焊连接的一体化结构，中间没有连接件，重量最轻。但由于涡轮部分为承力转动件，在工作过程中有很大的扭转载荷，焊接须确保盘轴的同心度和跳动要求，因此对焊接接头质量要求十分苛刻。在某型机低压涡轮轴的研制中，采用电子束焊接将GH4169材料的轴连接起来（见图2），采用焊接结构件较整体件加工降低了机加工难度，同时节约了材料，经济性好，国外在RB199等发动机的高压涡轮部分就采用了电子束焊接结构。盘轴焊接结构，应考虑不同材料的焊接接头在各种使用工况下的影响，焊接接头的位置尽量放在应力较小、壁厚较薄的位置。

图2 焊接结构的低压涡轮轴

（2）涡轮导叶分组焊接 在涡轮导向叶片的制造过程中，由于导向叶片受到较大的气动力与不稳定的脉动负荷，还处于高温燃气的包围之中，温度高，冷热变化大，温度不均匀情况严重，热冲击和热疲劳成为叶片失效的主要原因之一。在此情况下，导向叶片一般做成单叶、两叶或三叶组，可采用电子束焊接，便于装配、定位和公差控制，损坏后也易更换。在TAY及某机上，高压涡轮导向叶片均为采用电子束焊接的三叶组结构。叶片缘板的对接焊是典型的变截面焊接，焊接厚度在2～12mm之间变化，需由同一参数一次完成焊接，且焊缝要好，焊缝为Ⅲ级。叶片的焊接焊缝中易产生裂纹缺陷，尤其是在发动机上工作一段时间后，裂纹的产生由材料中Al、Ti及杂质元素的含量较高有关，焊接质量的控制尤为关键。