蜂窝密封结构真空钎焊与修理技术

中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司 （沈阳 110043） 孔庆吉 杜 静 郑国良

1.概述

蜂窝密封结构（简称蜂窝结构）是现代航空发动机、燃气轮机、汽轮机及航天飞机上转子件与静子件之间密封采用的先进结构。其制造的关键是蜂窝与壳体的连接，目前最为有效的连接方法是真空钎焊。蜂窝结构件真空钎焊加工主要的技术难点是：钎焊面积大，对钎料预置的均匀性有较高要求；组件装配定位必须牢固可靠，保证钎焊工艺间隙，且不得损伤蜂窝；蜂窝条带较薄，钎焊加工须防止蜂窝产生溶蚀；蜂窝芯格钎焊质量检测难度大；零件返修焊时蜂窝芯格内钎料容易过量。另外，随着发动机修复工程的不断启动和发展，大量的易损蜂窝结构件需要进行修理。

蜂窝结构件的钎焊修理不仅存在制造中的技术难点问题，而且还存在蜂窝去除、零件焊接变形控制、保证零件组织性能等问题。为此，针对上述技术难点问题，开展了大量的研究工作，摸索出了一整套蜂窝结构件钎焊制造和修理中的工艺技术，并在实际应用过程中对其不断进行完善和优化，使其得到广泛应用。

2.蜂窝结构件的组成及其用料

蜂窝结构件由蜂窝夹芯和壳体组成。蜂窝夹芯一般是由厚度为0.05mm或0.08mm的GH536高温合金条带制成像蜂窝格子一样的零件，其芯格形状为六边形，尺寸有0.8mm、1.2mm、1.6mm、3.2mm和6.4mm不等；壳体材料一般为不锈钢和高温合金的锻、铸、钣金件。蜂窝结构件有环形、扇形段及平板结构。典型环形蜂窝结构如图1所示。

图1 典型环形蜂窝结构

3.蜂窝结构件真空钎焊工艺流程

蜂窝结构件真空钎焊的工艺流程：集件→酸洗（镀镍）→清洗→钎料预置→装配定位焊→涂料→烘干→真空钎焊→检测→补焊（返修焊）→热处理（如设计要求）→交付。

上述工艺流程中的酸洗（镀镍）、清洗、涂料和热处理（如设计要求）等工序的操作按一般钎焊和热处理要求完成即可。下面仅就蜂窝结构件真空钎焊流程中关键工序的工艺措施进行描述。

（1）钎料预置 钎焊用料牌号：蜂窝结构钎焊用料主要根据零件的材料特性和工作要求进行选择，对于材料为不锈钢和高温合金的蜂窝结构，钎焊一般使用镍基钎料。常用镍基钎料如表1所示。

表1 蜂窝结构钎焊常用钎料

钎料预置方法：蜂窝结构钎焊不仅蜂窝基面与底板需要钎焊，而且蜂窝芯格壁连接处也要进行钎焊连接。钎料使用形式和预置方法是保证钎焊质量的关键。

通常蜂窝结构件焊前预置钎料的方法有三种：第一种是把镍基粉末状钎料与粘结剂混合制成0.5～0.8mm厚度的粘带，再把粘带钎料裁剪成合适的宽度贴在蜂窝基面上，并采用手工或者机械方法将粘带钎料全部压入蜂窝芯格内。第二是把蜂窝先定位到壳体上，之后再放在一个专用的钎料预置设备中往蜂窝芯格内筛钎料粉，然后再往蜂窝芯格内喷射粘结剂，等粘结剂稍干后，取下组件；第三种是使用一定厚度的镍基箔带钎料，按蜂窝待焊面的尺寸裁剪钎料，然后将钎料用储能点焊法固定在蜂窝基面上。

实践应用结果表明：第一种对蜂窝芯格预置粘带钎料的方法最佳。采用这种方法预置钎料，能使整个钎焊面内钎料均匀一致，无蜂窝芯格壁溶蚀现象，从而能保证形成优良的钎缝，并且质量稳定。第二种方法控制钎料的用量比较困难，不但钎焊质量差，而且容易造成蜂窝芯格壁产生溶蚀，操作也很复杂。第三种方法对定位焊造成不利影响，主要是定位焊不牢固，钎焊时会出现开焊问题。

（2）装配定位焊 蜂窝与壳体之间装配定位焊采用的设备是储能焊机，其容量为800～1200J。定位焊时，通过调整储能焊机电压，获得合适的输出能量。根据组件结构及材料特性一般选择180～350V。

装配定位焊时与蜂窝接触的上电极采用柔性的特殊电极，电极与蜂窝接触面积控制在60～150 mm2，下电极需与壳体表面接触良好，定位焊间距一般为10～20mm。蜂窝结构的装配定位如图2所示。

图2 蜂窝结构装配定位

（3）真空钎焊 蜂窝结构组件钎焊时，将其放置在真空炉内的钎焊夹具（或托盘）上，入炉进行焊接。真空钎焊参数包括：钎焊温度、保温时间、升温速率、冷却速率和真空压强，不同钎料使用的钎焊温度和真空压强如表2所示。升温速率、保温时间、冷却速率则根据装炉量和基体材料特性确定。钎焊接头剖切金相图片如图3所示。

表2 真空钎焊主要参数及接头强度

图3 蜂窝与壳体钎焊接头剖切金相图片

（4）检测 蜂窝结构件钎焊质量检测的内容包括未焊上、溶蚀、过量钎料等缺陷。其钎焊质量的检测方法主要有目视检查、毛细检查。

目视检查是借助5～10倍放大镜观察蜂窝芯格内部，如芯格根部有钎焊圆角，表明芯格钎焊合格，否则不合格。此种方法适用于各种结构的蜂窝结构件钎焊质量检测。

毛细检查是将零件全部浸在有机溶剂异丙醇中，待蜂窝芯格内注满液体且液面无气泡产生时（3～5min）将零件取出，观察蜂窝表面液膜情况，液膜消失处表明芯格与壳体未焊上，液膜保持良好处表明芯格与壳体已焊上。这种方法适用于扇形段蜂窝结构件及平板蜂窝结构件的钎焊质量检测。

（5）补焊 蜂窝结构件上蜂窝芯格与壳体未焊上的区域允许进行补焊。但补焊难度较大，主要是预置钎料的用量很难准确控制，钎焊后蜂窝芯格内容易存在过量钎料，蜂窝条带也容易产生溶蚀，小芯格（芯格尺寸0.8mm）蜂窝结构补焊更容易出现这些问题。

目前，蜂窝结构件补焊方法如下：

一是，先将合适厚度的粘带钎料（与原钎焊用料相同）置于未焊上芯格的表面，然后用滚轮将钎料压入蜂窝芯格内，再用金属棒将粘带钎料顶入蜂窝芯格底部，之后清理掉蜂窝表面剩余钎料，最后向蜂窝芯格内喷射粘结剂固定钎料。预置钎料后按原工艺进行钎焊和检测。此方法用于芯格尺寸为1.6mm以上的蜂窝结构补焊时效果较好，而用于小芯格蜂窝件的补焊时不仅操作繁琐，而且极易造成蜂窝芯格内存在过量钎料。

二是，先向未焊上蜂窝芯格内撒适量粉末钎料（与原钎焊用料相同），然后向芯格内喷射粘结剂固定钎料，最后按原工艺进行钎焊和检测。该方法仅用于不能采用粘带钎料进行补焊的小芯格蜂窝结构件，操作虽然简单，但却需靠经验把控钎料量。

4.蜂窝结构件钎焊修理技术

蜂窝结构件钎焊修理的方法是将损坏的蜂窝整体去除，然后将新蜂窝钎焊到壳体上。修理中存在的问题是：去除蜂窝时其根部不容易完全去除或损伤壳体；重新钎焊蜂窝时，壳体处于无余量状态，极易因炉中热循环变形而报废；钎焊修理后壳体材料的组织和性能应保持良好。只有对以上问题采取有效的技术措施，才能保证蜂窝结构的成功修理。

（1）去除蜂窝 蜂窝去除应先用车床进行粗加工，然后用磨床进行精加工，加工后壳体待焊面的尺寸须符合设计图样要求。需注意的事项是，加工前须精确找正基准，加工时控制进给量。

（2）钎焊及热处理变形控制 所修理蜂窝结构件壳体的全部尺寸均已达到设计尺寸，真空钎焊修理必须严格控制壳体轴向和径向变形，尤其要控制壳体装配部位的变形，否则壳体装配尺寸和几何公差将得不到保证，修理后的蜂窝结构件不能满足设计图要求。

控制变形措施如下：

首先，夹具控制变形：是在真空钎焊和热处理时使用夹具夹紧或胀紧其上的零件。夹具结构和装配尺寸根据零件的结构尺寸设计制造，同时由于夹具要在中高温环境中使用，因此对用于热变形控制的夹具还有一系列的特殊要求。①夹具材料应有良好的高温强度、热疲劳强度、抗氧化性和抗腐蚀性，同时导热性要好、热容量要小，并与零件材料有相同或相近的热膨胀系数。②夹具在高温下不应与零件材料发生反应，也不为钎料所润湿，并且放气量要小。③夹具应具有足够的刚度，且结构应尽量简单。④夹具结构中不得使用螺栓和螺钉。

其次，钎焊热循环控制变形：是在真空钎焊过程中对炉内零件进行缓慢升温和冷却，减少零件的温度梯度，从而防止零件变形。一般情况下，升温速率控制在3～5℃/min，冷却时采取随炉冷却方式。此种方法可以与夹具控制变形方法结合使用。

（3）钎焊修理对壳体组织和性能的保证 当钎焊热循环次数对基体材料的组织和性能可能产生不利影响时，需要通过试验确定不同次数钎焊修理热循环后基体材料的组织和性能变化情况。根据试验结果，确定修理的可行性或允许钎焊循环的次数。

5.结语

（1）所述镍基钎料适用于不锈钢、高温合金蜂窝结构件的真空钎焊。

（2）粘带状钎料为蜂窝结构件钎焊用料的最佳使用状态，可控制蜂窝溶蚀并获得稳定的钎焊质量。

（3）采用储能点焊方法定位蜂窝，可保证工艺需要的钎焊间隙和牢固性。

（4）按确定的工艺和检测方法，可钎焊出符合设计图样和技术文件要求的蜂窝结构件。

反之，合理解决蜂窝去除、焊接变形控制及保证钎焊后壳体组织和性能问题，是实现蜂窝结构件成功修理的关键。